Brevet FR3099151A1 — publié le 20210129

Description Titre de l'invention : APPAREIL DE COMPRESSION ET DE SEPARATION ET PROCEDE DE COMPRESSION [0001] La présente invention est relative à un appareil de compression et de séparation en particulier d'hydrogène gazeux et à un procédé de compression en particulier d'hydrogène gazeux. [0002] L'hydrogène est un gaz à poids moléculaire très faible. Les compresseurs d'hydrogène utilisés sont donc majoritairement de type volumétriques, et ne sont pas des compresseurs dynamiques. [0003] Pour la compression de grands débits volumiques d'hydrogène, ce qui est requis pour les liquéfacteurs d'hydrogène de grande capacité, la compression volumétrique est problématique car elle nécessite une multitude de compresseurs en parallèle. En effet, la capacité volumique de tels compresseurs et limitée. [0004] Les compresseurs dynamiques (par exemple centrifuges) ont des capacités vo- lumiques beaucoup plus grandes et seraient mieux adaptés à la compression des grands débits volumiques souhaités. Mais pour atteindre un rapport de pression élevé, un grand nombre d'étages de compression en série est requis. [0005] La compression d'hydrogène (masse molaire 2 g/mol) entre 6 et 25 bars par un com- presseur centrifuge mono-arbre nécessite 8 étages de compression en série. A titre de comparaison, la compression d'un gaz de l'air (azote par exemple, masse molaire 28 g/ mol) demandera 3 étages pour effecteur le même rapport de compression. [0006] Il est possible dc comprimer un gaz léger tel que l'hydrogène en augmentant la masse molaire du gaz à comprimer par mélange avec un gaz plus lourd. Mais alors cc gaz ballast comprimé de bout en bout avec l'hydrogène augmente considérablement la puissance requise pour comprimer la même quantité d'hydrogène. Par exemple, on peut mélanger l'hydrogène (2g/mol) avec du CO2 (44 g/mol). Un mélange 60% CO2 + 40% H2 aura une masse molaire similaire à celle de l'azote et donc nécessitera aussi 3 étages dc compression pour le même. Mais alors la consommation sera 1/0.4 = 2.5 fois plus grande par rapport à une compression sans ajout de gaz ballast. [0007] L'utilisation de composés encore plus lourds que le CO2, tels que les Freons 0 par exemple, sont également connus (JPH0275882). De tels composés sont comprimés entièrement avec le gaz léger depuis la pression d'aspiration jusqu'au refoulement du dernier étage, mais leur poids moléculaire élevé minimise la quantité à ajouter et donc le surtout énergétique. [0008] L'invention proposée permet l'utilisation d'un compresseur dynamique pour comprimer de l'hydrogène tout en minimisant la perte énergétique associée à 2 l'utilisation d'un gaz lourd. [0009] Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil de compression et de sé- paration comprenant un compresseur dynamique ayant un premier et un deuxième étages de compression pour comprimer un premier gaz ayant un premier poids moléculaire inférieur à 10 g/mol, voire à 7.5 g/mol ou même à 5 g/mol comprenant : [0010] i. une entrée du premier gaz, ii. Des moyens pour mélanger au moins un deuxième fluide ayant un deuxième poids moléculaire supérieure à 50 g/mol avec le premier gaz pour former un troisième gaz à comprimer à poids moléculaire supérieur à 10 g/mol, iii. Des moyens pour envoyer le troisième gaz au premier étage de compression, un premier échangeur de chaleur pour refroidir le troisième gaz en aval du premier étage de compression afin de le condenser partiellement, un premier séparateur de phases, des moyens pour envoyer le troisième gaz partiellement condensé au premier séparateur de phases pour former un quatrième gaz ayant un poids moléculaire inférieur à celui du troisième gaz et un premier liquide condensé ayant un poids moléculaire supérieur à celui du troisième gaz, iv. Des moyens pour envoyer le quatrième gaz du premier séparateur de phases au deuxième étage de compression, un deuxième échangeur de chaleur en aval du deuxième étage de compression , des moyens pour envoyer le quatrième gaz comprimé dans le deuxième étage de compression et le refroidir dans le deuxième échangeur de chaleur afin de le condenser partiellement, un deuxième séparateur de phases et des moyens pour envoyer le quatrième gaz partiellement condensé au deuxième séparateur de phases pour produire un cinquième gaz ayant un poids moléculaire inférieur à celui du quatrième gaz et un deuxième liquide condensé ayant un poids moléculaire supérieur à celui du quatrième gaz, et v. Un appareil de séparation, des moyens pour envoyer le cinquième gaz ou un gaz dérivé du cinquième gaz à l'appareil de séparation pour s'y séparer pour produire un produit gazeux ayant un poids moléculaire inférieur à 10 g/mol, voire à 7.5 g/mol ou même à 5 g/mol et une composition inférieure à l0ppm, voire à 5ppm, ou même à 1 ppm de tout constituant ayant un poids moléculaire supérieur à 50 g/mol. [0011] Selon d'autres aspects facultatifs : [0012] - l'appareil comprend des moyens pour récupérer le premier liquide condensé et/ou le deuxième liquide condensé, ces moyens comprenant éventuellement un réservoir commun, et des moyens pour mélanger le premier et/ou le deuxième liquide condensé au premier gaz éventuellement après vaporisation. l'appareil comprend des moyens pour vaporiser au moins une partie du 3 premier et/ou du deuxième liquide condensé et des moyens pour recycler au moins une partie de la partie vaporisée comme deuxième fluide. l'appareil comprend des moyens pour utiliser une partie de la chaleur générée par la compression pour vaporiser le premier et/ou le deuxième liquide condensé. le premier et/ou le deuxième séparateur de phases n'est pas isolé thermiqucmcnt de l'ambiant. [0013] Selon un autre objet de l'invention il est prévu un procédé de compression dans un compresseur dynamique ayant au moins un premier et un deuxième étages de compression dans lequel on comprime un premier gaz ayant un premier poids moléculaire inférieur à 10 g/mol , voire à 7.5 g/mol ou même à 5 g/mol, on mélange au moins un deuxième fluide ayant un deuxième poids moléculaire supérieure à 50 g/mol avec le premier gaz pour former un troisième gaz à comprimer à poids moléculaire supérieur à 10 g/mol, on envoie le troisième gaz au premier étage de compression, on refroidit le troisième gaz dans un premier échangeur de chaleur en aval du premier étage de compression où on le condense partiellement, on envoie le troisième gaz partiellement condensé à un premier séparateur de phases opérant à une température supérieure à 50°C pour former un quatrième gaz ayant un poids moléculaire inférieur à celui du troisième gaz et un premier liquide condensé ayant un poids moléculaire supérieur à celui du troisième gaz, on envoie le quatrième gaz du premier séparateur de phases au deuxième étage de compression, on envoie le quatrième gaz comprimé dans le deuxième étage de compression se refroidir dans un deuxième échangeur de chaleur où il se condense partiellement, on envoie le quatrième gaz partiellement condensé à un deuxième séparateur de phases opérant à une température supérieure à -50°C pour produire un cinquième gaz ayant un poids moléculaire inférieur à celui du quatrième gaz et un deuxième liquide condensé ayant un poids moléculaire supérieur à celui du quatrième gaz. [0014] Un gaz peut être dérivé d'un autre gaz en séparant le gaz en deux parties de com- position identiques, en le séparant par distillation, adsorption ou pennéation. [0015] Selon d'autres aspects facultatifs : [0016] - on récupère le premier liquide condensé et/ou le deuxième liquide condensé, éventuellement dans un réservoir commun, et on mélange le premier et/ou le deuxième liquide condensé au premier gaz éventuellement après vaporisation. on vaporise au moins une partie du premier et/ou du deuxième liquide condensé et on recycle au moins une partie de la partie vaporisée comme deuxième fluide. dans un procédé de compression et de séparation comprenant un procédé de compression tel que décrit ci-dessus, on envoie le cinquième gaz ou un gaz dérivé du cinquième gaz à un appareil de séparation pour s'y séparer pour produire un produit gazeux ayant un poids moléculaire inférieur à 10 g/mol, voire à 7.5 g/mol ou même à 5 g/mol et une composition inférieure à 10 ppm, voire à 5ppm, ou même à 1 ppm de tout constituant ayant un poids moléculaire supérieur à 50 g/mol. l'appareil de séparation produit également un gaz ayant un poids moléculaire supérieur à 10 g/mol, voire à 7.5 g/mol ou même à 5 g/mol et une composition supérieure à l0ppm, voire à 5ppm, ou même à 1 ppm de tout constituant ayant un poids moléculaire supérieur à 50 g/mol et on envoie ce gaz en amont du compresseur pour y être comprimé avec le premier gaz. [0017] On propose ici une compression multi étagée d'un gaz a bas poids moléculaire ( 25 g/mol ; 35 g/mol ; 50 g/mol) pour former un gaz à comprimer à poids moléculaire > 10 g/mol. Compression multi étagé de ce gaz dans un compresseur dynamique comprenant au moins une étape de réfrigération intermédiaire. Formation d'une phase condensée riche en constituants à haut poids moléculaire et d'une phase gazeuse appauvrie en constituants à haut poids moléculaire lors de l'étape refroidissement intermédiaire. Récupération des condensats et compression dans l'étage suivant de la phase vapeur enrichie en composant à bas poids moléculaire. Mutualisation des condensats et recyclage en amont du compresseur. En sortie du dernier étage de compression et après refroidissement finale et condensation, la phase gaz est envoyée dans une unité de séparation dans laquelle : - Le gaz à bas poids moléculaire est produit sous pression et avec une teneur en constituants à haut poids moléculaire REVENDICATIONSAppareil de compression et de séparation comprenant un compresseur dynamique ayant un premier et un deuxième étages de compression (C2,C3) pour comprimer un premier gaz (1) ayant un premier poids moléculaire inférieur à 10 g/mol, voire à 7.5 g/mol ou même à 5 g/mol comprenant : i. Une entrée du premier gaz, Des moyens pour mélanger au moins un deuxième fluide (21) ayant un deuxième poids moléculaire supérieure à 50 g/mol avec le premier gaz pour former un troisième gaz à comprimer (3) à poids moléculaire supérieur à 10 g/mol, iii. Des moyens pour envoyer le troisième gaz au premier étage de compression (C2), un premier échangeur de chaleur (R1) pour refroidir le troisième gaz en aval du premier étage de compression afin de le condenser partiellement, un premier séparateur de phases (P1), des moyens pour envoyer le troisième gaz partiellement condensé au premier séparateur de phases pour former un quatrième gaz (9) ayant un poids moléculaire inférieur à celui du troisième gaz et un premier liquide condensé (11) ayant un poids moléculaire supérieur à celui du troisième gaz, iv. Des moyens pour envoyer le quatrième gaz du premier sé- parateur de phases au deuxième étage de compression (C3) , un deuxième échangeur de chaleur (R2) en aval du deuxième étage de compression , des moyens pour envoyer le quatrième gaz comprimé dans le deuxième étage de compression et le refroidir dans le deuxième échangeur de chaleur afin de le condenser partiellement, un deuxième séparateur de phases (P2) et des moyens pour envoyer le quatrième gaz partiellement condensé au deuxième séparateur de phases pour produire un cinquième gaz (13) ayant un poids moléculaire inférieur à celui du quatrième gaz et un deuxième liquide (15) condensé ayant un poids moléculaire supérieur à celui du quatrième gaz, et y. Un appareil de séparation et des moyens pour envoyer le cinquième gaz ou un gaz dérivé du cinquième gaz à l'appareil de séparation (A) pour s'y séparer pour produire un produit 10 gazeux (23) ayant un poids moléculaire inférieur à 10 g/mol, voire à 7.5 g/mol ou même à 5 g/mol et une composition inférieure à lOppm, voire à 5ppm, ou même à 1 ppm de tout constituant ayant un poids moléculaire supérieur à 50 g/mol. [Revendication 2] Appareil selon la revendication 1 comprenant des moyens pour récupérer le premier liquide condensé (11) et/ou le deuxième liquide condensé (15), ces moyens comprenant éventuellement un réservoir commun (S), et des moyens pour mélanger le premier et/ou le deuxième liquide condensé au premier gaz éventuellement après vaporisation. [Revendication 3] Appareil selon la revendication 2 comprenant des moyens (H) pour vaporiser au moins une partie du premier et/ou du deuxième liquide condensé (11, 15) et des moyens pour recycler au moins une partie de la partie vaporisée comme deuxième fluide. [Revendication 4] Appareil selon l'une des revendications précédentes comprenant des moyens (H, R1, R2) pour utiliser une partie de la chaleur générée par la compression (C2,C3) pour vaporiser le premier et/ou le deuxième liquide condensé. [Revendication 5] Appareil selon l'une des revendications précédentes dans lequel le premier et/ou le deuxième séparateur de phases (P1, P2) n'est pas isolé thermiquement de l'ambiant. [Revendication 6] Procédé de compression dans un compresseur dynamique ayant au moins un premier et un deuxième étages de compression (C2,C3) dans lequel on comprime un premier gaz (1) ayant un premier poids moléculaire inférieur à 10 g/mol , voire à 7.5 g/mol ou même à 5 g/mol, on mélange au moins un deuxième fluide (19,21) ayant un deuxième poids moléculaire supérieure à 50 g/mol avec le premier gaz pour former un troisième gaz à comprimer (3) à poids moléculaire supérieur à 10 g/mol, on envoie le troisième gaz au premier étage de compression (C2), on refroidit le troisième gaz dans un premier échangeur de chaleur (R1) en aval du premier étage de compression où on le condense partiellement, on envoie le troisième gaz partiellement, condensé à un premier séparateur de phases (Pl) opérant à une température supérieure à -50°C pour former un quatrième gaz ayant un poids moléculaire inférieur à celui du troisième gaz (9) et, un premier liquide condensé (11) ayant un poids moléculaire supérieur à celui du troisième gaz, on envoie le quatrième gaz du premier séparateur de phases au deuxième étage de 11 [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] compression (C3), on envoie le quatrième gaz comprimé dans le deuxième étage de compression se refroidir dans un deuxième échangeur de chaleur (R2) où il se condense partiellement, on envoie le quatrième gaz partiellement condensé à un deuxième séparateur de phases (P2) opérant à une température supérieure à -50°C pour produire un cinquième gaz (13) ayant un poids moléculaire inférieur à celui du quatrième gaz et un deuxième liquide condensé (15) ayant un poids moléculaire supérieur à celui du quatrième gaz. Procédé selon la revendication 6 dans lequel on récupère le premier liquide condensé et/ou le deuxième liquide condensé (11,15), éventuellement dans un réservoir commun (S), et on mélange le premier et/ ou le deuxième liquide condensé au premier gaz (1) éventuellement après vaporisation. Procédé selon la revendication 7 dans lequel on vaporise au moins une partie du premier et/ou du deuxième liquide condensé (11,15) et on recycle au moins une partie de la partie vaporisée (19) comme deuxième fluide. Procédé de compression et de séparation comprenant un procédé de compression tel que revendiqué dans une des revendications 6 à 8 , dans lequel on envoie le cinquième gaz ou un gaz dérivé du cinquième gaz (13) à un appareil de séparation (A) pour s'y séparer pour produire un produit gazeux (23) ayant un poids moléculaire inférieur à 10 g/mol, voire à 7.5 g/mol ou même à 5 g/mol et une composition inférieure à lOppm, voire à 5ppm, ou même à 1 ppm de tout constituant ayant un poids moléculaire supérieur à 50 g/mol. Procédé selon la revendication 9 dans lequel l'appareil de séparation (A) produit également un gaz (25) ayant un poids moléculaire supérieur à 10 g/mol, voire à 7.5 g/mol ou même à 5 g/mol et une composition supérieure à lOppm, voire à 5ppm, ou même à 1 ppm de tout constituant ayant un poids moléculaire supérieur à 50 g/mol et on envoie ce gaz en amont du compresseur (C2, C3) pour y être comprimé avec le premier gaz (1).