Brevet FR3088416A1 — publié le 20200515

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de liquéfaction d'un courant gazeux contenant du dioxyde de carbone. Le courant gazeux peut contenir au moins 35% mol. CO2 mol ou au moins 60% mol CO2, voire au moins 90% mol CO2 ou au moins 95% mol de CO2. D'habitude, la liquéfaction d'un courant gazeux de CO2 s'effectue dans des procédés différents selon la teneur en impuretés du courant à liquéfier (notamment en H2 et/ou en N2). Le problème adressé par l'invention est qu'une fois le liquéfacteur installé, il est très difficile voire impossible de prévoir un procédé de liquéfaction capable de liquéfier des courants de compositions différentes. Il est difficile de liquéfier un courant de CO2 impur contenant 2% d'hydrogène par exemple avec un procédé initialement prévu pour du liquéfier CO2 pur. Dans l'optique d'utiliser le liquéfacteur de CO2 au niveau d'un point de distribution de CO2, regroupant plusieurs sources et donc plusieurs puretés, il convient de développer un procédé permettant d'accepter différentes puretés en 20 entrée. La présente invention porte sur un procédé et un appareil permettant de liquéfier un courant gazeux de CO2 présentant une teneur en impuretés variable. Le procédé selon l'invention peut liquéfier un débit de CO2 pur contenant par exemple 99% mol de CO2, tout comme du CO2 contenant par exemple 95% de CO2 et entre 25 2 et 5% mol de H2 et/ou d'entre 2 et 5% de N2. L'idée ici revendiquée est d'avoir un procédé adaptable à la composition du gaz qu'il aura à liquéfier, tout en minimisant l'investissement de l'appareil. Le gaz d'alimentation, contenant en très grande majorité du CO2 mais également potentiellement des impuretés (par exemple du N2 et/ou de l'H2), dans 30 des concentrations de l'ordre de 0%v-2%v, est comprimé dans un compresseur. La pression atteinte sera définie afin de condenser le courant gazeux, par exemple dans un aérocondenseur ou en face de la plus froide des sources froides externes disponibles. 2 Une fois comprimé et condensé, le courant liquide formé va être sous-refroidi dans un sous-refroidisseur, de préférence dans des sous-refroidisseurs successifs, avant d'être détendu dans une vanne. Le courant froid nécessaire dans le sous-refroidisseur pour refroidir le courant 5 d'alimentation condensé sera obtenu par détente libre d'une partie de ce même courant d'alimentation. La pression de détente sera définie afin d'assurer un recycle cohérent de ce courant détendu dans le compresseur de cycle. Typiquement, afin de réduire la consommation énergétique du procédé, la 10 première détente se fera à la pression de refoulement de l'avant dernière roue du compresseur de cycle afin de recycler le plus possible de gaz dans les derniers étages de compression. Pareillement, la seconde détente (au niveau du second sous-refroidisseur) se fera préférentiellement à la pression permettant d'entrer cette fois dans l'avant 15 dernière roue de compression. Une fois le courant liquide sous-refroidi dans le premier sous-refroidisseur, il est détendu à une pression permettant d'éviter la production de gaz, avant d'entrer dans le second sous-refroidisseur. Il est une seconde fois détendu, à une pression permettant là encore d'éviter la production de gaz avant d'entrer dans l'échangeur principal. La réduction de la pression du courant à liquéfier (typiquement à une pression de l'ordre de 45 bar abs) permet ainsi une réduction du CAPEX de l'échangeur principal, tout en évitant de la production de gaz. L'objectif des différents étages de sous-refroidissement est donc d'éviter la production de gaz du courant d'alimentation lors de ses détentes successives. Ceci est important car la production de gaz à des températures telles que celles en sorties de sous-refroidisseur (de l'ordre de 0 à -15°C) contiendrait une trop grande quantité de CO2, mélangé avec une très grande proportion des impuretés présentes dans le courant d'alimentation. Il est alors impossible de recycler ce courant de gaz sans concentrer massivement en impuretés et donc le CO2 contenu dans ce gaz serait perdu, ce qui réduit notablement le rendement du liquéfacteur. 3 Il est donc important d'effectuer la purge des impuretés au point le plus froid du procédé, afin de réduire la production de gaz conjointe du CO2 et la perte de rendement associée. Une fois sous-refroidi et partiellement détendu, le courant liquéfié est introduit 5 dans un échangeur de chaleur principal qui permet ainsi de le refroidir au maximum, jusqu'à des températures de l'ordre de -40°C, voire -55°C, avant de le détendre à 7 bar abs, pression de production requise. Afin de purger le courant liquide de ses éventuelles impuretés au point le plus froid du procédé, la détente jusqu'à la pression de production sera effectuée en deux 10 étapes. Une première détente est effectuée à une première pression, supérieure à celle requise pour la production qui est dans un exemple de 7 bar abs. Dans le cas où le courant à liquéfier présente des impuretés (par exemple 0,5% d'N2 et/ou d'H2), ces dernières seront massivement flashées et ainsi purgées. 15 A des températures aussi froides que -40°C, voire -50°C, le pourcentage de CO2 qui va se trouver en phase gazeuse est nettement plus faible qu'au niveau des sous-refroidisseurs, ce qui permet de fortement concentrer le gaz produit par détente en impuretés et donc de maximiser le rendement du liquéfacteur. Le gaz produit par détente du CO2 ainsi que le pourcentage d'impuretés 20 purgées seront bien entendu fonction de la pression de détente intermédiaire et un optimum pourra être trouvé au cas par cas. Typiquement, une pression comprise entre 20bar abs et 8bar abs sera préférée. Cette pression pourra être ajustée en opération en fonction de la teneur en impuretés à l'entrée du procédé et du rendement instantané en CO2 souhaité. Cela permet une flexibilité supplémentaire 25 pour optimiser le couple rendement/pureté en CO2. Le liquide issu de ce premier pot séparateur est ainsi largement purifié en impuretés. Typiquement plus de 99% de l'H2 et plus de 72% de l'N2 pourront être éliminés par cette purge, tout en limitant la perte de CO2 à moins de 2%. Ce liquide est une seconde fois détendu, cette fois jusqu'à la pression de 30 production requise (c'est à dire 7bar abs). La température de sortie de l'échangeur principal sera ajustée afin d'éviter d'être trop froide en sortie de cette seconde vanne (notamment trop proche du point triple du CO2 c'est à dire -56,5°C). Ceci peut être réalisé en variant un débit partiel qui contourne l'échangeur principal ou en modifiant un débit qui se réchauffe dans l'échangeur principal. 4 Le gaz généré par cette seconde détente contient cette fois une très grande fraction de CO2 (c'est à dire plus de 85%v). Ce courant gazeux est alors introduit dans l'échangeur principal afin d'y récupérer ses frigories. Il pourra ensuite, en fonction de sa composition, être recyclé 5 à l'entrée du compresseur de cycle ou mis à l'atmosphère. Le reste du froid nécessaire dans l'échangeur principal sera apporté par une portion du liquide de pied de pot à 7bar abs qui sera vaporisé avant d'être recyclé au compresseur de cycle. Une vanne de court-circuitage de l'échangeur principal pourra être installée sur 10 le courant principal à refroidir, afin de contrôler le KS de l'échangeur en fonction du débit et de la composition du gaz à liquéfier. Dans le cas d'un CO2 gazeux pur à liquéfier, la purge située au niveau du premier pot séparateur n'a plus de sens. La vanne relative à cette première détente sera donc dimensionnée de façon à pouvoir être pleinement ouverte sans créer de 15 pertes de charge excessives et aucun gaz ne sera généré dans ce premier pot. Seule la seconde détente générera du gaz riche en CO2 pur sera alors recyclé au compresseur de cycle. Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil de liquéfaction d'un courant gazeux contenant au moins 35% mol de CO2, voire au moins 60% mol, ou 20 au moins 90% mol ou au moins 95% mol de CO2 comprenant un moyen de compression, un condenseur, un moyen d'échange de chaleur, un premier séparateur de phases, un deuxième séparateur de phases, un premier moyen de détente, un deuxième moyen de détente, une conduite pour envoyer le courant gazeux à l'entrée ou à un étage intermédiaire du moyen de compression pour 25 produire un premier courant gazeux comprimé, une conduite pour envoyer le premier courant gazeux comprimé du moyen de compression au condenseur pour former un courant liquide, une conduite pour envoyer le courant liquide au moyen d'échange de chaleur, une conduite pour envoyer le courant liquide refroidi dans le moyen d'échange de chaleur au premier moyen de détente pour former un fluide 30 éventuellement détendu, une conduite pour envoyer le fluide éventuellement détendu par le premier moyen de détente au premier séparateur de phases, une conduite pour soutirer un gaz du premier séparateur de phases, une conduite pour envoyer un liquide du premier séparateur de phases au deuxième moyen de détente, une conduite pour envoyer un fluide diphasique du deuxième moyen de détente au 5 deuxième séparateur de phases et une conduite pour soutirer un liquide produit riche en dioxyde de carbone du deuxième séparateur de phases caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour ajuster la pression de sortie du premier moyen de détente en fonction de la composition et/ou du débit du courant gazeux, par exemple un 5 moyen permettant de modifier l'ouverture d'une vanne constituant le premier moyen de détente. Selon d'autres aspects facultatifs : - l'appareil comprend un moyen pour envoyer une partie du premier courant gazeux du moyen de compression au premier moyen de détente, sans passer par le 10 moyen d'échange de chaleur. - l'appareil comprend une conduite pour envoyer le gaz du deuxième séparateur de phases à l'entrée du moyen de compression. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de liquéfaction d'un courant gazeux contenant au moins 35% mol de dioxyde de carbone voire au moins 15 60% mol, ou au moins 90% mol ou au moins 95% mol de CO2 dans lequel le courant gazeux est comprimé, refroidi, liquéfié, au moins une partie du courant gazeux liquéfié est sous-refroidie pour former un liquide sous-refroidi, le liquide sous-refroidi ou un liquide dérivé du liquide sous-refroidi est éventuellement détendu pour former un courant éventuellement détendu, le courant éventuellement détendu est envoyé à 20 un premier séparateur de phases, un liquide du premier séparateur de phases est détendu et envoyé sous forme biphasique à un deuxième séparateur de phases et un liquide est sorti comme produit du deuxième séparateur de phases caractérisé en ce que l'on fait varier la pression du courant éventuellement détendu envoyé au premier séparateur de phases en fonction du débit et/ou de la composition du 25 courant gazeux. Selon l'invention, optionnellement : - si le courant gazeux devient plus pur en CO2, on va augmenter la pression du courant détendu envoyé au premier séparateur de phases. - si le courant gazeux devient plus pur en CO2, on peut même ne pas 30 détendre le courant gazeux entre l'échangeur de chaleur et le séparateur de phases. - pour des compositions ayant une composition en CO2 en dessous d'un seuil, on détend le courant gazeux entre l'échangeur de chaleur et le séparateur de phases. 6 - plus le courant gazeux est pur en CO2, plus on augmenter la pression du débit envoyé au premier séparateur de phases. - si le débit du courant gazeux dépasse un seuil, on augmente la pression du débit envoyé au premier séparateur de phases. 5 - si le débit du courant gazeux dépasse un seuil, on augmente le débit gazeux extrait du premier séparateur de phases. - si la composition en dioxyde de carbone du courant gazeux est au-dessus d'un seuil, le courant détendu envoyé au premier séparateur de phases est entièrement sous forme liquide et si la composition en dioxyde de carbone du 10 courant gazeux est en dessous du seuil, le courant détendu envoyé au premier séparateur de phases est diphasique. - on envoie un gaz du deuxième séparateur de phases se réchauffer dans un échangeur où se refroidit le premier courant gazeux en amont du premier moyen de détente. 15 - le gaz du deuxième séparateur de phases est comprimé et ensuite mélangé au premier courant gazeux à liquéfier. - un gaz du premier séparateur de phases est renvoyé se mélanger au premier courant gazeux à liquéfier uniquement si la composition en dioxyde de carbone du courant gazeux est au-dessus d'un seuil, ou du seuil. 20 - on envoie à l'atmosphère au moins une partie du gaz du deuxième séparateur de phases uniquement si sa composition en dioxyde de carbone est en dessous d'un seuil. - la pression de sortie du premier moyen de détente est entre 8 et 20 bars abs. 25 - en amont de la détente, le courant gazeux liquéfié est sous-refroidi dans au moins un échangeur de chaleur et une partie du liquide est détendue pour former le courant détendu. - en amont de la détente, le courant gazeux liquéfié est sous-refroidi dans au moins un échangeur de chaleur et un liquide dérivé d'une partie du liquide est 30 détendu pour former le courant détendu. - on envoie un liquide du deuxième séparateur de phases se réchauffer voire se vaporiser dans un échangeur où se refroidit le courant gazeux en amont du premier moyen de détente. 7 - on envoie tout le liquide du premier séparateur vers le deuxième séparateur après l'avoir détendu. - on mélange le liquide du deuxième séparateur de phases après vaporisation avec le gaz du deuxième séparateur de phases et on comprime le 5 mélange formé avant de le mélanger avec le courant gazeux. - le courant gazeux liquéfié est sous-refroidi dans au moins un premier échangeur de chaleur et au moins un deuxième échangeur de chaleur, étant refroidi dans le premier échangeur de chaleur par une partie du liquide sous-refroidi dans le premier échangeur qui se réchauffe dans le premier échangeur après détente dans 10 une vanne. - on envoie une partie du premier courant gazeux du moyen de compression au premier moyen de détente, sans passer par le moyen d'échange de chaleur pour contrôler la température de sortie de l'échangeur en fonction du débit et de la composition du gaz à liquéfier. 15 si le débit du courant gazeux augmente, en dessous d'un seuil donné de débit, on ne change pas la pression dans le premier séparateur de phases. Par contre, on règle de l'échangeur (KS) pour maintenir la température égale à celle observée pour le débit non augmenté, en supposant que la température est réglée de façon optimale. 20 - si la température en sortie d'échangeur augmente, on augmenter le débit de gaz soutiré du premier séparateur de phase et on augmente la pression dans le premier séparateur de phases, pour limiter la perte de CO2 tout en purgeant les impuretés, mais cela doit va rester moins bon que de conserver la bonne pression et la bonne température. 25 L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant à la figure qui illustre un procédé et un appareil selon l'invention. Le courant gazeux peut contenir au moins 30% CO2 voire au moins 60% mol, ou au moins 90% mol ou au moins 95% mol de CO2. Un courant gazeux contenant par exemple 99% mol dioxyde de carbone, 0,5% 30 mol d'azote et 0,5% mol d'hydrogène 1 est comprimé dans un premier étage de compression C3 jusqu'à une pression d'au moins 5,5 bars, puis refroidi dans un refroidisseur R3. Le débit comprimé dans l'étage C3 est comprimé dans une deuxième étage C4 et ensuite refroidi dans un refroidisseur R4 puis condensé dans 8 un condenseur C. Le débit condensé est sous-refroidi dans un premier échangeur de chaleur E1. Le débit sous-refroidi est divisé en deux. Si le compresseur Cl à C4 est un compresseur unique, l'étage C3 est en fait le troisième étage. 5 Une première fraction liquide est détendue dans une vanne V1 et la fraction détendue 9, également liquide, est sous-refroidie dans un deuxième échangeur de chaleur E2. La fraction sous-refroidie est divisée en une première partie 11 et une deuxième partie 13. La première partie 11 est détendue dans une vanne V2 et la deuxième 13 est détendue dans une vanne V3. La partie 13 est réchauffée dans le 10 deuxième échangeur de chaleur E2 et mélangée avec le débit 1 pour former le débit 3 envoyé à l'entrée de l'étage C3. La deuxième fraction 7 est détendue dans une vanne V9 puis réchauffée dans le premier échangeur de chaleur E1. La fraction détendue 7 est envoyée en amont du deuxième étage C4. 15 La première partie 11 sous forme liquide à entre 0 et -15°C est envoyée à un troisième échangeur de chaleur E3, qui est l'échangeur de chaleur principal, où elle est sous-refroidie jusqu'à -40°C, voire jusqu'à -55°C. La partie 11 refroidie est détendue dans une vanne V5 jusqu' à une pression d'entre 8 et 20 bars et envoyée à un premier séparateur de phases S1. La pression à la sortie de la vanne V6 est 20 variable en fonction du taux impuretés dans le courant gazeux. L'usage d'au moins une étape de sous-refroidissement en amont du troisième échangeur E3 permet de réduire la pression en entrée de l'échangeur E3 (et donc son coût) tout en restant liquide. Un gaz enrichi en impuretés légères 15 sort du premier séparateur S1. 25 Le liquide formé 17 appauvri en impuretés légères, est retiré du premier séparateur S1 et est détendu dans une vanne V6 jusqu'à la pression de production de 7 bars, avant d'être envoyé à un deuxième séparateur de phases S2. La température de sortie de la vanne V6 est régulée afin de ne pas trop s'approcher de -56,5°C. 30 Le gaz 19 du deuxième séparateur de phases S2, enrichi en impuretés légères, est recyclé via l'échangeur principal E3 où il se réchauffe. Il contient environ 85% vol de dioxyde de carbone. 9 Ce gaz 19 est d'autant plus riche en impuretés et appauvri en CO2 que le liquide 11 en amont de l'échangeur E3 ait été sous-refroidi dans les échangeurs El, E2. Le liquide 21 de cuve de S2 est divisé en deux. La partie 23 constitue le produit 5 liquéfié de l'appareil à 7 bars. La partie 25 est réchauffée et vaporisée dans l'échangeur de chaleur E3 et mélangé avec au moins une partie du gaz 19. Le débit formé 31 est détendu dans une vanne V8 et ensuite comprimé dans un étage de compression C1, refroidi dans un refroidisseur R3, comprimé dans un étage de compression C2, refroidi dans un refroidisseur R2 et envoyé à l'étage de 10 compression C3 avec les débits 1 et 13. Si le débit 19 est trop pauvre en dioxyde de carbone, il se réchauffe dans l'échangeur E3 et est rejeté à l'atmosphère par la conduite 29 et la vanne V7. La vanne V4 permet à une partie 11A du gaz 11 de ne pas être refroidie dans l'échangeur E3, permettant ainsi de contrôler la température de sortie de l'échangeur 15 en fonction du débit et de la composition du gaz à liquéfier. Sinon la régulation peut être réalisée en variant le débit 25 qui se réchauffe dans l'échangeur E3. Si le fluide 1 devient plus pur en 002, on va augmenter la pression en sortie de V5 (donc avec détente plus faible sur V5), jusqu'à annuler la détente sur V5 quand le 20 fluide 1 est du 002 pur. Si le gaz 1 a une composition en dioxyde de carbone au-dessus d'un seuil donné, par exemple 99,5% dioxyde de carbone représentant du dioxyde de carbone pur, il peut être liquéfié néanmoins dans le même appareil. Dans ce cas, la détente dans la vanne V5 est calculée pour ne pas produire de gaz et le débit arrivant dans 25 le séparateur 51 est entièrement liquide. Cet effet peut être obtenu en ouvrant la vanne V5 le plus possible. Dans ce cas, le débit 15 n'existe pas et aucune séparation ne s'effectue dans le séparateur 51. Si le débit du fluide 1 commence à augmenter, on ne change pas la pression dans le séparateur 51 par contre, on réglera l'échangeur (KS) pour maintenir la 30 bonne température, c'est à dire celle du débit non augmenté, en supposant qu'elle est réglée de façon optimale. Par contre, si le débit augmente de telle sorte que l'on n'arrive pas à maintenir cette température, et donc on a une température en sortie de l'échangeur E3 qui augmente; on augmentera la production du gaz 15 et la perte de CO2 : pour 10 contrecarrer cela, on peut alors augmenter la pression dans le séparateur 51, pour limiter la perte de CO2 tout en purgeant les impuretés, REVENDICATIONS1. Appareil de liquéfaction d'un courant gazeux (3) contenant au moins 35% mol de CO2 comprenant un moyen de compression (C1,C2,C3,C4), un condenseur (C), un moyen d'échange de chaleur (E3), un premier séparateur de phases (Si), un deuxième séparateur de phases (S2), un premier moyen de détente (V5), un deuxième moyen de détente (V6), une conduite pour envoyer le courant gazeux à l'entrée ou à un étage intermédiaire du moyen de compression pour produire un premier courant gazeux comprimé, une conduite pour envoyer le premier courant gazeux comprimé du moyen de compression au condenseur pour former un courant liquide (9,11), une conduite pour envoyer le courant liquide au moyen d'échange de chaleur, une conduite pour envoyer le courant liquide refroidi dans le moyen d'échange de chaleur au premier moyen de détente (V5) pour former un fluide éventuellement détendu, une conduite pour envoyer le fluide éventuellement détendu par le premier moyen de détente au premier séparateur de phases, une conduite pour soutirer un gaz du premier séparateur de phases, une conduite pour envoyer un liquide (17) du premier séparateur de phases au deuxième moyen de détente, une conduite pour envoyer un fluide diphasique du deuxième moyen de détente au deuxième séparateur de phases et une conduite pour soutirer un liquide produit riche en dioxyde de carbone (21,23) du deuxième séparateur de phases caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour ajuster la pression de sortie du premier moyen de détente en fonction de la composition et/ou du débit du courant gazeux, par exemple un moyen permettant de modifier l'ouverture d'une vanne constituant le premier moyen de détente. 2. Appareil selon la revendication 1 comprenant un moyen pour envoyer une partie (11A) du premier courant gazeux du moyen de compression au premier moyen 30 de détente, sans passer par le moyen d'échange de chaleur. 3. Appareil selon l'une des revendications précédentes comprenant une conduite pour envoyer le gaz (19,27,31) du deuxième séparateur de phases à l'entrée du moyen de compression. 12 4. Procédé de liquéfaction d'un courant gazeux contenant au moins 35% mol de dioxyde de carbone dans lequel le courant gazeux (3) est comprimé, refroidi, liquéfié, au moins une partie du courant gazeux liquéfié (11) est sous-refroidie pour 5 former un liquide sous-refroidi, le liquide sous-refroidi ou un liquide dérivé du liquide sous-refroidi est éventuellement détendu pour former un courant éventuellement détendu, le courant éventuellement détendu est envoyé à un premier séparateur de phases (S1), un liquide (17) du premier séparateur de phases est détendu et puis envoyé sous forme biphasique à un deuxième séparateur de phases (S2) et un 10 liquide (23) est sorti comme produit du deuxième séparateur de phases caractérisé en ce que l'on fait varier la pression du courant détendu envoyé au premier séparateur de phases en fonction du débit et/ou de la composition du courant gazeux. 15 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel i) si la composition en dioxyde de carbone du courant gazeux (3) est au-dessus d'un seuil, le courant détendu envoyé au premier séparateur de phases (S1) est entièrement sous forme liquide et ii) si la composition en dioxyde de carbone du courant gazeux est en dessous 20 du seuil, le courant détendu envoyé au premier séparateur de phases est diphasique. 6. Procédé selon l'une des revendications 4 et 5 dans lequel on envoie un gaz du deuxième séparateur de phases (S2) se réchauffer dans un échangeur(E3) où se 25 refroidit le courant gazeux (11) en amont du premier moyen de détente (V5). 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel le gaz (19) du deuxième séparateur de phases (S2) est comprimé et ensuite mélangé au courant gazeux (3) à liquéfier. 8. Procédé selon l'une des revendications 4 à 7 dans lequel un gaz (15) du premier séparateur de phases (S1) est renvoyé se mélanger au courant gazeux (3) à liquéfier uniquement si la composition en dioxyde de carbone du courant gazeux est au-dessus d'un seuil, ou du seuil. 13 9. Procédé selon l'une des revendications 4 à 8 dans lequel on envoie à l'atmosphère au moins une partie du gaz (19) du deuxième séparateur de phases (S2) uniquement si sa composition en dioxyde de carbone est en dessous d'un seuil. 5 10. Procédé selon l'une des revendications 4 à 9 où la pression de sortie du premier moyen de détente (V5) est entre 8 et 20 bars abs. 11. Procédé selon l'une des revendications 4 à 10 dans lequel en amont de la 10 détente formant le courant détendu, le courant gazeux liquéfié (11) est sous-refroidi dans au moins un échangeur de chaleur (E1, E2, E3) et une partie (7,13) du liquide ou un liquide dérivé de cette partie est détendu(e) pour former le courant détendu. 15