Brevet FR3122488A1 — publié le 20221104

Titre : Procédé et appareil de séparation d’un débit riche en dioxyde de carbone par distillation pour produire du dioxyde de carbone liquide Dans un procédé de séparation d’un débit (0) contenant au moins 95% mol de dioxyde de carbone ainsi qu’au moins une impureté plus légère que le dioxyde de carbone par distillation, on refroidit le débit (1) jusqu’à une première température intermédiaire entre celles du bout froid et du bout chaud d’un moyen d’échange de chaleur (10) pour former un débit liquide à une première température et à une première pression et on le divise en au moins deux pour former une première fraction (7) et une deuxième fraction (9), on détend la première fraction jusqu’à la pression d’une colonne de distillation (20) appelée deuxième pression, inférieure à la première pression et on l’envoie à un niveau intermédiaire de la colonne de distillation, on refroidit la deuxième fraction dans le moyen d’échange de chaleur jusqu’au bout froid de celui-ci, on la détend jusqu’à la pression de la colonne de distillation et on l’envoie à un niveau de la colonne de distillation au-dessus du point d’arrivée de la première fraction, on soutire en cuve de la colonne un débit liquide contenant au moins 99% mol de dioxyde de carbone et une fraction (3) du débit liquide est pressurisée dans une pompe (P1) et envoyée en tête de la colonne. Figure de l’abrégé : Fig. 1 Procédé et appareil de séparation d’un débit riche en dioxyde de carbone par distillation pour produire du dioxyde de carbone liquide La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d’un débit riche en dioxyde de carbone par distillation pour produire du dioxyde de carbone gazeux et/ou liquide. La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation de dioxyde de carbone par distillation, cette distillation se réalisant à une température inférieure à 0°C. Dans un procédé de liquéfaction de CO 2 d’alimentation riche en CO 2 (>95% molaire) composée majoritairement pour le reste d’impuretés (O 2 , N 2 , CO, H2 par exemple), le liquéfacteur de CO 2 est prévu pour être opéré à 100% de sa capacité mais également adapté pour produire du CO 2 liquide à charge très réduite. La présente invention est relative à un procédé de liquéfaction de CO 2 d’alimentation riche en CO 2 faisant intervenir le CO 2 lui-même dans un circuit ouvert ou d’un cycle de réfrigération externe (ammoniac ou CO 2 par exemple). Le procédé froid, composé d’un échangeur principal et d’une colonne de purification, est capable d’être opéré dans une large gamme de capacités. En particulier, avec le développement progressif des unités de capture au fil des années à venir, il peut être intéressant d’investir dans un premier liquéfacteur couvrant les demandes à venir: le liquéfacteur opère à des charges très basses les premières années, le temps que les émetteurs suivants soient prêts à y envoyer leur CO 2 . Dans les procédés de liquéfaction de CO 2 habituellement décrits, le procédé froid est souvent composé d’une colonne à distiller faisant office d’équipement de purification. Dans la plupart du temps, elle sert à séparer les incondensables en tête alors que le fond de la colonne est à la spécification du CO 2 produit. L’opérabilité des colonnes à distiller est un facteur important dans la performance de l’unité notamment vis-à-vis de la spécification en pied de colonne. En effet les colonnes sont composées d’internes (garnissages, distributeurs, plateaux) qui ont un fonctionnement garanti défini dans une gamme restreinte. Un écart trop important sur les conditions d’entrée de la colonne peut aboutir à un dysfonctionnement de l'efficacité de séparation de l’équipement. Le brevet FR2100737 propose un reflux en tête de colonne à distiller réalisé par une partie du gaz d’entrée sous refroidi. L’autre partie étant directement injectée dans la colonne à une hauteur intermédiaire. Il existe donc une contrainte lorsqu’il est nécessaire d’opérer à une charge réduite pour les deux sections de la colonne. Pour régler ce problème, l'ajout d’une pompe sur le schéma de liquéfaction est envisagé afin d’augmenter la charge liquide dans la colonne en recyclant du liquide de production. En plus du problème de charge liquide, le rendement de l’unité étant très sensible à la température du reflux, il est nécessaire de recycler une partie du liquide de fond de la colonne ayant été préalablement refroidi. De plus, afin de garder un profil de conditions constant tout au long de la colonne, il est nécessaire de recycler du liquide non seulement au reflux mais également à l’alimentation principale, ceci dans le but d’éviter tout problème au niveau des internes et des sections de la colonne. L’invention permet donc d’étendre l’application de l’état de l’art au schéma de liquéfaction de CO 2 . En effet, il arrive souvent qu’une opération à charge réduite et de longue durée soit prévue pour les liquéfacteurs de CO 2 pour les raisons suivantes : Maintenance de longue durée. Phasage de la construction de l’unité dans le cas d’un liquéfacteur collectant des émissions de CO 2 venant de plusieurs sources. Arrêt d’une ou plusieurs sources pour diverses raisons. Limite d’export du produit etc. Dans tous les cas ci-dessus, le liquéfacteur de CO 2 doit être capable de fonctionner à marche réduite. Dans le but de pouvoir opérer la colonne de purification dans ces conditions, une pompe est rajoutée en cuve de colonne afin de recycler une partie du liquide vers son alimentation et/ou en tête de la colonne. Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation d’un débit contenant au moins 95% mol de dioxyde de carbone ainsi qu’au moins une impureté plus légère que le dioxyde de carbone par distillation dans lequel : On refroidit le débit jusqu’à une première température intermédiaire entre celles du bout froid et du bout chaud d’un moyen d’échange de chaleur pour former un débit liquide à une première température et à une première pression et on le divise en au moins deux pour former une première fraction et une deuxième fraction. On détend la première fraction jusqu’à la pression d’une colonne de distillation appelée deuxième pression, inférieure à la première pression et on l’envoie à un niveau intermédiaire de la colonne de distillation. On refroidit la deuxième fraction dans le moyen d’échange de chaleur jusqu’au bout froid de celui-ci, on la détend jusqu’à la pression de la colonne de distillation et on l’envoie à un niveau de la colonne de distillation au-dessus du point d’arrivée de la première fraction. On soutire en cuve de la colonne un débit liquide contenant au moins 99% mol de dioxyde de carbone. Une fraction du débit liquide est un produit liquide et une autre fraction du débit liquide est pressurisée dans une pompe et envoyée en tête de la colonne et/ou à un niveau intermédiaire de la colonne. Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un procédé tel que décrit ci-dessus ayant au moins deux modes d’opération dans lequel : Dans un premier mode d’opération, le débit contenant au moins 95% mol de dioxyde de carbone a un débit au-dessus d’un premier seuil, la composition en dioxyde de carbone du liquide en pied de colonne est supérieure à un deuxième seuil et la température du gaz de tête de colonne est en dessous d’un troisième seuil et aucune partie du débit liquide n’est envoyée à la colonne après pompage et de préférence une partie du liquide soutiré en cuve de la colonne constitue le produit du procédé et Dans un deuxième mode d’opération, le débit contenant au moins 95% mol de dioxyde de carbone a un débit en dessous du premier seuil, la composition en dioxyde de carbone du liquide en pied de colonne est inférieure au deuxième seuil et la température du gaz de tête de colonne est au-dessus du troisième seuil et la fraction du débit liquide est pressurisée dans la pompe et envoyée en tête de la colonne et/ou au niveau intermédiaire de la colonne. Selon d’autres objets facultatifs : au moins une portion de l’autre fraction du débit liquide est refroidie dans le moyen d’échange de chaleur après avoir été pressurisée dans la pompe et ensuite est envoyée en tête de la colonne et/ou au niveau intermédiaire de la colonne. une partie du liquide pressurisé dans la pompe se mélange avec la deuxième fraction et le débit formé est refroidi dans le moyen d’échange de chaleur. le débit qui se refroidit dans le moyen d’échange est un débit liquide et l’autre fraction du liquide est pressurisé puis envoyée au bout chaud pour se refroidir. le débit qui se refroidit dans le moyen d’échange rentre au bout chaud du moyen d’échange sous forme gazeuse. l’autre fraction du débit liquide n’est pas refroidie dans le moyen d’échange de chaleur après avoir été pressurisée dans une pompe et ensuite est envoyée en tête de la colonne et/ou à un niveau intermédiaire de la colonne. une fraction du débit liquide n’est pas pressurisée par la pompe et est réchauffée dans le moyen d’échange de chaleur à partir d’une température intermédiaire de celui-ci puis est envoyée à la colonne pour s’y séparer. la fraction du débit liquide qui n’est pas pressurisée par la pompe se vaporise dans le moyen d’échange de chaleur et est envoyé en cuve de la colonne sous former gazeuse. la fraction du débit liquide formant le produit est pressurisée dans la même pompe que l’autre fraction du débit liquide. l’entrée de la pompe est reliée à la sortie de la pompe par une conduite de contournement, cette conduite pouvant être ouverte par une vanne et dans lequel en cas de réduction du débit de liquide à pomper dans la pompe, on augmente d’abord le débit de liquide pompé envoyé à la colonne avant d’ouvrir la vanne de la conduite de contournement. L’invention consiste principalement à recycler une partie du liquide de cuve à un niveau intermédiaire de la colonne et/ou en tête de la colonne. Il est mieux de recycler du liquide de cuve à la fois au reflux de la colonne mais aussi pour alimenter la colonne à un niveau intermédiaire. La quantité est recyclée de telle sorte à rester dans les limites fixées de fonctionnement des colonnes référencées. Ainsi il n’y a pas d’impact sur la performance de l'équipement. Le débit recyclé permettra d’avoir un débit de reflux (4) et un débit d’alimentation principale qui resteront supérieurs à 50%, préférentiellement supérieurs à 70% des débits de dimensionnement de la colonne. D’autre part, le schéma du liquéfacteur de CO 2 dont le rebouillage (7) de la colonne est réalisé en chauffant et vaporisant du liquide de cuve et en y injectant le gaz formé pourra être augmenté dans les mêmes proportions citées précédemment afin de garantir une bonne séparation. Ceci est dû au fait que l’échangeur principal (10) est dimensionné pour 100% de charge (il n’y a donc pas de contrainte hydraulique à rebouillir plus). Cet ajout permet ainsi d’assurer des conditions de séparation proches du cas dimensionnant (engorgement liquide et gazeux, rapport débit liquide et vapeur etc.). L’invention sera décrite en manière plus détaillée en se référant aux figures : représente un procédé selon l’invention. représente un procédé selon l’invention. représente un procédé selon l’invention. représente un procédé selon l’invention. représente un procédé selon l’invention. En fonctionnement normal un mélange liquide ou gazeux 0 contenant au moins 95% mol de dioxyde de carbone ainsi qu’au moins une impureté plus légère est séparé par le procédé. Si le débit du courant 0 est supérieur à un seuil, et si la composition en dioxyde de carbone dans le courant 8 est supérieure à un deuxième seuil et si la température du courant 12 devient inférieure à un troisième seuil, le procédé est en un premier mode de fonctionnement normal. Dans ce cas, on refroidit le débit du courant 0 jusqu’à une première température intermédiaire entre celles du bout froid et du bout chaud d’un moyen d’échange de chaleur 10 pour former un courant liquide 1 à une première température et à une première pression. Le courant 1 est divisé en deux pour former deux parties 2, 4. La partie 2 est détendue dans une vanne V2 jusqu’à la pression de la colonne 20 et est introduite dans la colonne à un niveau intermédiaire pour s’y séparer. La partie 4 passe dans la vanne V1, se refroidit jusqu’au bout froid du moyen d’échange 10 et est détendue dans une vanne V5 avant d’être envoyée à la tête de colonne pour y former le reflux. Un liquide contenant au moins 99% mol de dioxyde de carbone est soutiré en cuve de la colonne et le produit 8 en constitue au moins une partie. Un courant 12 enrichi en impuretés sort en tête de la colonne et peut être envoyé à l’atmosphère, dans un dispositif de sécurité dédié ou récupéré. La colonne comprend des moyens pour détecter la pureté du liquide de cuve de la colonne et des moyens pour mesurer le débit du courant 0 et la température du gaz 12. Afin d’atteindre la spécification en CO2 en cuve de colonne, une partie 7 du liquide de cuve se réchauffe et se vaporise dans le moyen d’échange 10 depuis une température intermédiaire jusqu’au bout chaud, puis est légèrement détendue par la vanne V4 en cuve de la colonne 20 pour y former le rebouillage de la colonne. En effet la colonne 20 est légèrement en surpression par rapport à l’échangeur 10, de sorte que malgré la perte de charge dans l’échangeur 10, le débit 7 au bout chaud est toujours à pression plus élevée que la colonne 20. Si le débit du courant 0 devient inférieur au premier seuil et si la composition en dioxyde de carbone dans le courant 8 devient inférieure au deuxième seuil et si la température du courant 12 devient supérieure au troisième seuil, le procédé est modifié pour opérer selon un deuxième mode dans lequel une autre fraction 3 du liquide de cuve est pressurisée par une pompe et envoyée en tête de la colonne 20 et/ou à un niveau intermédiaire de la colonne 20 pour s’y séparer après détente. Dans cet exemple, la fraction 3 est divisée en deux après pompage dans la pompe P1, une partie 6 étant détendue dans la vanne V3 et mélangée avec le débit 2 pour entrer dans la colonne. Le reste 5 se mélange avec la deuxième fraction 4 en aval de la vanne V1 et est refroidi dans le moyen d’échange 10 est envoyé au reflux de la colonne 4. Pour ce faire, la passe dans l’échangeur destinée au sous refroidissement peut être utilisée. De la même manière que pour le rebouillage, cette passe étant dimensionnée pour 100% de charge, il n’y aura pas de contrainte hydraulique. Sinon le reste 5 et la deuxième fraction 4 peuvent être sousrefroidis indépendamment l’un de l’autre. Ce sous refroidissement permet ainsi d'obtenir une température la plus basse possible pour le reflux, permettant un rendement toujours très haut même lors des opérations à basses charges. C’est d’autant plus nécessaire si le rebouillage a été augmenté. En résumé, lorsque le débit du courant 0 devient inférieur au premier seuil et que la pureté en 8 devient inférieure au deuxième seuil et la température en 12 devient supérieure au troisième seuil, la pompe P1 se met en marche afin de recycler du liquide en fond de colonne vers au moins une des entrées. Le débit du courant 7 est augmenté afin d’atteindre la spécification du produit en sortie 8. Dans un même temps, afin d’obtenir un bon rendement et un bon fonctionnement de la colonne de distillation, les débits des courants 5 et 6 sont corrigés en fonction de la mesure de débit de rebouillage au courant 7. En cas d’évolution du volume de dioxyde de carbone à traiter, si la quantité à traiter est basse dans un premier temps, la pompe est utilisée pour envoyer le liquide de cuve au niveau intermédiaire et/ou en haut de la colonne et quand la quantité de dioxyde de carbone à traiter a suffisamment augmenté, la pompe n’est plus utilisée. La colonne 20 peut fonctionner à une pression supérieure à 7 bars ou supérieure à 10 bars. montre une variante de la où la colonne 20 fonctionne à basse pression (par exemple>7 bara mais montre une variante de la dans le cas où le CO 2 0 est à l’état liquide à l’entrée de l’échangeur principal 10 et/ou lorsqu’il n’y pas de détente intermédiaire via la vanne V1 pour former le reflux de la colonne ; dans ce cas, on peut renvoyer le liquide de cuve 3 depuis la pompe P1 en entrée de l’échangeur principal 10 se mélanger avec le courant 0. Ceci a pour but de minimiser les interfaces de tuyauteries ainsi que d’optimiser l’énergie globale du procédé à marche réduite. En effet ceci induit de renvoyer un liquide froid et pur en CO 2 en entrée de l’échangeur 10. Ici il n’est pas nécessaire de sortir le liquide à séparer du moyen d’échange 10 pour le séparer en parties 1, 4. La partie 1 est détendue dans la vanne V2 pour former l’alimentation principale 2 de la colonne 20. montre une variante de la dans le cas où une pompe P1 prévue pour l’export de la production 8 de la colonne est utilisée pour réaliser ce recyclage conjointement avec l’export de production 8. Cela permet ainsi de limiter les investissements. Une vanne V7 pourra néanmoins être ajoutée afin de ramener la pression du produit 8 à celle où elle doit être stockée. La sortie de la pompe P1 est reliée à son entrée à travers une vanne V8 pour assurer un débit minimal d’aspiration, cette vanne V8 étant habituellement fermée. En cas de réduction du débit 3, on ouvre d’abord les vannes V3, V5 et ensuite la vanne V8. Cette vanne V8 peut être présente dans tous les schémas avec le même fonctionnement en cas de réduction de débit 3. Procédé de séparation d’un débit (0) contenant au moins 95% mol de dioxyde de carbone ainsi qu’au moins une impureté plus légère que le dioxyde de carbone par distillation dans lequel : On refroidit le débit (1) jusqu’à une première température intermédiaire entre celles du bout froid et du bout chaud d’un moyen d’échange de chaleur (10) pour former un débit liquide à une première température et à une première pression et on le divise en au moins deux pour former une première fraction (2) et une deuxième fraction (4), On détend la première fraction jusqu’à la pression d’une colonne de distillation (20) appelée deuxième pression, inférieure à la première pression et on l’envoie à un niveau intermédiaire de la colonne de distillation. On refroidit la deuxième fraction dans le moyen d’échange de chaleur jusqu’au bout froid de celui-ci, on la détend jusqu’à la pression de la colonne de distillation et on l’envoie à un niveau de la colonne de distillation au-dessus du point d’arrivée de la première fraction. On soutire en cuve de la colonne un débit liquide contenant au moins 99% mol de dioxyde de carbone. Une fraction (8) du débit liquide est un produit liquide et une autre fraction (3) du débit liquide est pressurisée dans une pompe (P1) et envoyée en tête de la colonne et/ou à un niveau intermédiaire de la colonne. Procédé selon la revendication 1 ayant au moins deux modes d’opération dans lequel : Dans un premier mode d’opération, le débit (0) contenant au moins 95% mol de dioxyde de carbone a un débit au-dessus d’un premier seuil, la composition en dioxyde de carbone du liquide en pied de colonne est supérieure à un deuxième seuil et la température du gaz de tête (12) de colonne est en dessous d’un troisième seuil et aucune partie du débit liquide n’est envoyée à la colonne après pompage et de préférence une partie du liquide soutiré en cuve de la colonne constitue le produit du procédé et Dans un deuxième mode d’opération, le débit contenant au moins 95% mol de dioxyde de carbone a un débit en dessous du premier seuil, la composition en dioxyde de carbone du liquide en pied de colonne est inférieure au deuxième seuil et la température du gaz de tête de colonne est au-dessus du troisième seuil et la fraction du débit liquide est pressurisée dans la pompe (P1) et envoyée en tête de la colonne et/ou au niveau intermédiaire de la colonne. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel au moins une portion (5) de l’autre fraction du débit liquide est refroidie dans le moyen d’échange de chaleur (10) après avoir été pressurisée dans la pompe (P1) et ensuite est envoyée en tête de la colonne et/ou au niveau intermédiaire de la colonne. Procédé selon la revendication 3 dans lequel une partie du liquide pressurisé dans la pompe (P1) se mélange avec la deuxième fraction et le débit formé est refroidi dans le moyen d’échange de chaleur (10). Procédé selon la revendication 3 ou 4 dans lequel le débit (0) qui se refroidit dans le moyen d’échange (10) est un débit liquide et l’autre fraction (3) du liquide est pressurisé puis envoyée au bout chaud pour se refroidir. Procédé selon l’une des revendication 1 à 4 dans lequel le débit (0) qui se refroidit dans le moyen d’échange (10) rentre au bout chaud du moyen d’échange sous forme gazeuse. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2 dans lequel l’autre fraction (6) du débit liquide n’est pas refroidie dans le moyen d’échange de chaleur (10) après avoir été pressurisée dans une pompe (P1) et ensuite est envoyée en tête de la colonne et/ou à un niveau intermédiaire de la colonne. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel une fraction (7) du débit liquide n’est pas pressurisée par la pompe (P1) et est réchauffée dans le moyen d’échange de chaleur (10) à partir d’une température intermédiaire de celui-ci puis est envoyée à la colonne (20) pour s’y séparer. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la fraction (8) du débit liquide formant le produit est pressurisée dans la même pompe (P1) que l’autre fraction (3) du débit liquide. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’entrée de la pompe (P1) est reliée à la sortie de la pompe par une conduite de contournement, cette conduite pouvant être ouverte par une vanne (V8) et dans lequel en cas de réduction du débit de liquide (3) à pomper dans la pompe, on augmente d’abord le débit de liquide pompé envoyé à la colonne avant d’ouvrir la vanne de la conduite de contournement.