Brevet FR3110224A1 — publié le 20211119

Titre : Procédé et appareil de séparation d’un gaz contenant du dioxyde de carbone et de l’hydrogène Dans un procédé de séparation d’un gaz (7) contenant du dioxyde de carbone et de l’hydrogène comme composants principaux par condensation partielle, on comprime le gaz à une pression d’au moins 15 bars dans un compresseur (C2), on le refroidit dans un échangeur de chaleur (HE2) et on le condense partiellement, on séparer le gaz condensé partiellement en un liquide (13) enrichi en dioxyde de carbone et appauvri en hydrogène et un gaz (11) enrichi en hydrogène et appauvri en dioxyde de carbone, on réchauffe au moins une partie du liquide enrichi en dioxyde de carbone dans l’échangeur de chaleur et on la vaporise et on réchauffe le gaz enrichi en hydrogène dans l’échangeur de chaleur. Figure de l’abrégé : Figure 1 Procédé et appareil de séparation d’un gaz contenant du dioxyde de carbone et de l’hydrogène La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d’un gaz contenant du dioxyde de carbone et de l’hydrogène par condensation partielle. Le dioxyde de carbone et l’hydrogène sont des, voire les, composants principaux du gaz. Le gaz peut contenir jusqu’à 80% mol de dioxyde de carbone et jusqu’à 65% mol hydrogène ainsi qu’au moins un autre constituant, par exemple le méthane, le monoxyde de carbone, l’azote et au moins un alcane pouvant contenir jusqu’à six atomes de carbone et/ou au moins un alcène pouvant contenir jusqu’à six atomes de carbone. Il est connu de EP2526046 de séparer un mélange de dioxyde de carbone et d’hydrogène par deux étapes de condensation partielle en série à des pressions différentes. Dans ce procédé, les frigories sont produites par détente d’hydrogène provenant de la condensation partielle. Ceci nécessite une turbine très particulière. La présente invention utilise un moyen alternatif de production de frigories par vaporisation et éventuellement détente de dioxyde de carbone. Le mélange gazeux est comprimé, refroidi et puis partiellement condensé. Le point triple du dioxyde de carbone empêche l’usage de températures en dessous de -56,56°C. La pression de compression est utilisée pour ajuster la fraction de vapeur suite à la condensation partielle et ainsi la teneur en hydrogène dans cette fraction. Le gaz peut aussi contenir de l’eau. La dernière étape de compression peut être entraînée par une turbine de détente du dioxyde de carbone formé par vaporisation du liquide provenant de la condensation partielle. Le dioxyde de carbone détendu peut servir à refroidir le mélange à séparer en amont d’une étape de séchage, permettant de réduire la taille des sécheurs. Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation d’un gaz contenant du dioxyde de carbone et de l’hydrogène comme composants principaux par condensation partielle dans lequel : On comprime le gaz à une pression d’au moins 15 bars dans un compresseur, on le refroidit dans un échangeur de chaleur et on le condense partiellement. On séparer le gaz condensé partiellement en un liquide enrichi en dioxyde de carbone et appauvri en hydrogène et un gaz enrichi en hydrogène et appauvri en dioxyde de carbone. On réchauffe au moins une partie du liquide enrichi en dioxyde de carbone dans l’échangeur de chaleur et on la vaporise. On réchauffe le gaz enrichi en hydrogène dans l’échangeur de chaleur. Selon d’autres aspects facultatifs: on détend le dioxyde de carbone vaporisé dans une turbine. la turbine entraîne le compresseur. le dioxyde de carbone est détendu à partir d’une pression d’au moins 25 bars. en amont du compresseur, le débit dont est dérivé le gaz contient de l’eau et le débit est séché pour enlever l’eau dans une unité de séchage. le gaz détendu dans la turbine sert à refroidir le débit en amont de l’unité de séchage. le gaz contient entre 50 et 80 % mol de dioxyde de carbone le gaz contient entre 20 et 65% mol hydrogène le gaz contient entre 60 et 75% mol de dioxyde de carbone. le gaz contient entre 20 et 30% mol d’hydrogène le liquide enrichi en dioxyde de carbone se vaporise dans l'échangeur de chaleur à deux pressions différentes une partie du liquide enrichi en dioxyde de carbone se vaporise dans l’échangeur de chaleur le gaz contient jusqu’à 80% mol de dioxyde de carbone et jusqu’à 65% mol hydrogène l’appareil ne comprend pas de turbine d’hydrogène l’appareil ne comprend pas de compresseur d’hydrogène. Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un appareil de séparation d’un gaz contenant du dioxyde de carbone et de l’hydrogène comme composants principaux par condensation partielle comprenant un compresseur, un échangeur de chaleur, un séparateur de phases, une conduite pour envoyer le gaz comprimé dans le compresseur à l’échangeur de chaleur, une conduite pour envoyer le gaz partiellement condensé de l’échangeur de chaleur au séparateur de phases, une conduite pour envoyer un gaz du séparateur de phases se réchauffer dans l’échangeur de chaleur et une conduite pour envoyer au moins une partie d’un liquide du séparateur de phases se réchauffer dans l’échangeur de chaleur. représente un procédé selon l’invention. Ledit procédé sera décrit de manière plus détaillée en se référant à cette même figure. Le débit 1 contenant jusqu’à 80% mol de dioxyde de carbone et jusqu’à 65% mol hydrogène ainsi que au moins un autre constituant, par exemple le méthane, le monoxyde de carbone, l’azote, au moins un alcane pouvant contenir jusqu’à six atomes de carbone ou au moins un alcène pouvant contenir jusqu’à six atomes de carbone. La somme des pourcentages de dioxyde de carbone et d’hydrogène sera évidemment inférieure à 100%. Le débit 1 contient dans ce cas de l’eau qui est (en partie) éliminée par une série d’étapes de compression et de refroidissement (non illustrées). Après une compression dans le compresseur C1, le gaz est refroidi et l’eau condensée est (en partie) retirée. Ensuite le gaz 3 est refroidi dans un échangeur de chaleur HE1 à une température supérieure à 0°C, par exemple 45°C et une pression d’au moins 15 bar et de préférence au moins 20 bar. L’eau se condense et est enlevée dans un séparateur de phases S1 comme débit 5. Un séparateur de phases est un contenant ne contenant pas d’éléments favorisant l’échange de masse et de chaleur. Le gaz (en partie) séché 7 est comprimé à 49°C depuis 20 bars jusqu’à 15 bars, de préférence jusqu’à 30 bars dans le compresseur C2. Le gaz 7 contient entre 50 et 80 % mol de dioxyde de carbone et entre 20 et 65% mol hydrogène. De préférence il contient entre 60 et 75% mol de dioxyde de carbone. De préférence il contient entre 20 et 30% mol d’hydrogène. Ensuite le gaz comprimé 9 est refroidi dans l’échangeur de chaleur HE2 à une température comprise entre -45°C et -55°C où il se condense partiellement. Le séparateur de phases S2 sépare un gaz enrichi en hydrogène 11 contenant 70% d’hydrogène et 23% de dioxyde de carbone et un liquide 13 contenant 99% de dioxyde de carbone. Le gaz 11 se réchauffe dans l’échangeur HE2. Le liquide 13 se réchauffe dans l’échangeur de chaleur HE2 et est divisé en deux. Une partie 15 est détendue dans une vanne et vaporisé dans l’échangeur de chaleur HE2. Le reste du liquide 17 se réchauffe dans l’échangeur de chaleur HE2, est détendu et se réchauffe dans l’échangeur de chaleur HE2. Après vaporisation dans un autre échangeur de chaleur R, le dioxyde de carbone vaporisé est détendu dans une turbine T pour former un gaz à 4°C. Le gaz à 4°C sert à refroidir l’échangeur de chaleur HE1 en amont du séparateur de phase S1, permettant ainsi de condenser plus d’eau. Ceci permet de réduire la taille du séparateur S1 ou celle d’un TSA utilisé pour sécher le gaz 3 ou le gaz 7. Procédé de séparation d’un gaz (7) contenant du dioxyde de carbone et de l’hydrogène comme composants principaux par condensation partielle dans lequel : On comprime le gaz à une pression d’au moins 15 bars dans un compresseur (C2), on le refroidit dans un échangeur de chaleur (HE2) et on le condense partiellement On sépare le gaz condensé partiellement en un liquide (13) enrichi en dioxyde de carbone et appauvri en hydrogène et un gaz (11) enrichi en hydrogène et appauvri en dioxyde de carbone On réchauffe au moins une partie du liquide enrichi en dioxyde de carbone dans l’échangeur de chaleur et on la vaporise et On réchauffe le gaz enrichi en hydrogène dans l’échangeur de chaleur. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on détend le dioxyde de carbone vaporisé dans une turbine (T). Procédé selon la revendication 2 dans lequel la turbine (T) entraîne le compresseur (C2). Procédé selon la revendication 2 ou 3 dans lequel le dioxyde de carbone est détendu (T) à partir d’une pression d’au moins 25 bars. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel en amont du compresseur (C2), le débit (1,3) dont est dérivé le gaz (7) contient de l’eau et le débit est séché pour enlever l’eau (5) dans une unité de séchage (S1). Procédé selon les revendications 2 et 5 dans lequel le gaz détendu dans la turbine (T) sert à refroidir le débit (1,3) en amont de l’unité de séchage (S1). Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel une partie (15,17) du liquide enrichi en dioxyde de carbone se vaporise dans l’échangeur de chaleur (HE2). Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le gaz (7) contient entre 50 et 80% mol de dioxyde de carbone et/ou entre 20 et 65% mol hydrogène. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le liquide enrichi en dioxyde de carbone se vaporise dans l'échangeur de chaleur (HE2) à deux pressions différentes. Appareil de séparation d’un gaz contenant du dioxyde de carbone et de l’hydrogène comme composants principaux par condensation partielle comprenant un compresseur (C2), un échangeur de chaleur (HE2), un séparateur de phases(S2), une conduite pour envoyer le gaz comprimé dans le compresseur à l’échangeur de chaleur, une conduite pour envoyer le gaz partiellement condensé de l’échangeur de chaleur au séparateur de phases, une conduite pour envoyer un gaz (11) du séparateur de phases se réchauffer dans l’échangeur de chaleur et une conduite pour envoyer au moins une partie d’un liquide (15,17) du séparateur de phases se réchauffer dans l’échangeur de chaleur.