Brevet FR3119227A1 — publié le 20220729

Titre : Procédé et appareil de séparation d’un débit riche en dioxyde de carbone par distillation pour produire du dioxyde de carbone liquide Un appareil de séparation d’un débit (1) contenant du dioxyde de carbone par distillation comprend un moyen d’échange de chaleur (E) , une colonne de distillation (K) , des moyens pour envoyer le débit se refroidir dans le moyen d’échange de chaleur jusqu’à une première température intermédiaire pour former un débit liquide à une première température et à une première pression, des moyens pour diviser le débit liquide pour former une première fraction et une deuxième fraction (7,9), des moyens pour détendre la première fraction jusqu’à la pression d’une colonne de distillation, des moyens pour envoyer la première fraction détendue à un niveau intermédiaire de la colonne de distillation, des moyens pour sortir la deuxième fraction du bout froid du moyen d’échange de chaleur après refroidissement, des moyens pour détendre la deuxième fraction refroidie jusqu’à la pression de la colonne de distillation, des moyens pour envoyer la deuxième fraction à colonne de distillation et des moyens pour soutirer de la cuve de la colonne un débit liquide. Figure de l’abrégé : Figure 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. Dans les procédés habituellement décrits de compression et purification d’un débit riche en dioxyde de carbone incluant une colonne à distiller, le fluide de la tête de colonne est condensé partiellement puis dirigé vers un séparateur de phases. Le liquide est soit introduit en tant que reflux dans la colonne par gravité dans le cas où le condenseur est placé au-dessus de la colonne, ou soit injecté à l'aide d’une pompe dans le cas contraire. Dans certains cas, tout ou une partie du courant de la tête de colonne est recyclée puis comprimée en amont de la colonne pour être ensuite purifié de ses composés légers. Dans ces inventions, il n’est jamais question d’utiliser le courant d’alimentation sous refroidi dans un échangeur multi courant pour former le reflux de la colonne afin d’en améliorer son efficacité. “Start-up of Port-Jérôme CRYOCAP tm plant” de Pichot et al, Energy Procedia montre un procédé de séparation de dioxyde de carbone et d’oxygène où le débit d’alimentation sert à rebouillir la cuve de la colonne. Le débit d’alimentation est donc entièrement condensé et envoyé en tête de la colonne. Dans un procédé selon l’invention de liquéfaction et de séparation de CO 2 riche en CO 2 (>95% molaire), prévu par exemple pour usage alimentaire, composée majoritairement pour le reste d’impuretés (O 2 , N 2 , CO par exemples), le CO 2 sous pression est liquéfié et ensuite séparé en deux courants dirigés pour l’un vers une colonne de séparation dont le but est d’obtenir un produit liquide en pied de colonne concentré en CO2 (>99, voire > 99.8% molaire). La première partie du courant principal est envoyée à un niveau intermédiaire de la colonne. La seconde partie du courant principal, sous refroidie dans l’échangeur principal, sert de reflux à cette même colonne de séparation afin de bénéficier d’un reflux le plus froid possible pour limiter les pertes en tête de colonne et ainsi augmenter le rendement global du procédé. Ces deux courants seront donc l’alimentation éventuellement principale et le reflux de la colonne. La présente invention est relative à un procédé de liquéfaction et de séparation de CO 2 , par exemple d’alimentation, riche en CO 2 . L’usage d’une colonne séparative est nécessaire lorsque le produit final doit être concentré en CO 2 (>99% molaire). L’objectif de la présente invention est de minimiser la perte en CO 2 en tête de colonne par l’ajout d’un reflux intégré à l’échangeur principal du liquéfacteur afin de réduire le nombre d’équipements totaux. Dans un procédé selon l’invention, un débit d’alimentation contenant au moins 95% mol de dioxyde de carbone contient également au moins une autre impureté, telle que l’oxygène, l’azote, l’argon, le monoxyde de carbone. L’invention propose d’utiliser une partie du débit de l’alimentation qui est liquéfiée à une plus haute pression que la colonne comme reflux de la colonne à distiller. Ce courant est sous refroidi dans un moyen d’échange de chaleur jusqu’à une température minimum proche du point triple du CO 2 puis détendu à la pression de la colonne. L’intérêt de ce schéma est que : D’une part l’apport de ce niveau de froid provenant du courant de reflux va permettre d’augmenter le rendement du procédé, tout en gardant une bonne séparation des impuretés dictée par le débit de rebouillage. Le débit partiel de CO 2 se retrouvant donc moindre dans le gaz soutiré en tête de colonne, le courant de pied de colonne représentant le produit est donc plus enrichi en CO 2 , ce qui induit un meilleur rendement du procédé global. L’apport de froid à cette température qui est la plus basse du procédé est limité uniquement au reflux. D’autre part, cette intégration énergétique évite l’installation d’un condenseur de tête de colonne, un pot séparateur pour le gaz de tête partiellement condensé et une pompe. Cette configuration présente donc le bénéfice d’avoir moins de contraintes d’installation liées à l’hydraulique du système. De plus, le reflux ainsi soutiré du courant d’alimentation n’a pas encore été enrichi en légers, ce qui va donc permettre de limiter la demande en rebouillage pour ainsi améliorer l’efficacité énergétique du procédé. Une variante de l’invention propose de détendre une première fois le courant d’alimentation en sortie d’échangeur principal avec une première vanne puis avec une seconde vanne après sous refroidissement dans l’échangeur principal. Ce système permet de minimiser la température du reflux résultante de la détente. En effet, les détentes de dioxyde de carbone peuvent s’accompagner d’une hausse de température dans les conditions du liquéfacteur. Réduire la chute de pression finale (tout en considérant une température de -52°C avant détente) permet de minimiser cette hausse et donc d'obtenir un reflux le plus froid possible, ceci dans le but de limiter les pertes de CO 2 en tête de 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 et On soutire en cuve de la colonne un débit liquide contenant au moins 99% mol de dioxyde de carbone comme produit liquide. Selon d’autres aspects facultatifs : on envoie au moins une partie du produit liquide se vaporiser dans le moyen d’échange de chaleur et on réchauffe dans le moyen d’échange de chaleur un gaz de tête de la colonne de distillation. tout le gaz de tête de la colonne de distillation est soutiré de la colonne et réchauffé dans le moyen d’échange de chaleur. on divise le débit pour former les première et deuxième fractions en dehors du moyen d’échange de chaleur et on détend la deuxième fraction dans une vanne jusqu’à une troisième pression intermédiaire entre la première pression et celle de la colonne de distillation avant de la renvoyer au moyen d’échange de chaleur pour la refroidir. on renvoie la deuxième fraction au moyen d’échange de chaleur à une deuxième température supérieure à la première température. au moins une partie du liquide de cuve de la colonne se réchauffe dans le moyen d’échange de chaleur contre le débit à séparer et est renvoyée sous forme gazeuse en cuve de la colonne. la partie du liquide de cuve est envoyée à le moyen d’échange de chaleur à une troisième température plus élevée que la première température intermédiaire, et éventuellement que la deuxième température. la colonne comprend deux sections, une première section entre les arrivées des première et deuxième fractions et une deuxième section en dessous de l’arrivée de la première fraction, la première section ayant un diamètre inférieur ou égal à celui de la deuxième section. le rapport entre les débits des première et deuxième fractions est variable selon la pureté en dioxyde de carbone du débit à séparer. la première pression est supérieure à celle de la colonne d’au moins 1 bar, voire d’au moins 10 bars, préférentiellement d’au moins 20 bars, ou d’au moins 30 bars. Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un appareil 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 comprenant un moyen d’échange de chaleur, une colonne de distillation, des moyens pour envoyer le débit se refroidir dans le moyen d’échange de chaleur jusqu’à une première température intermédiaire entre celles du bout froid et du bout chaud du moyen d’échange de chaleur pour former un débit liquide à une première température et à une première pression, des moyens pour diviser le débit liquide en au moins deux pour former une première fraction et une deuxième fraction, des moyens pour détendre la première fraction jusqu’à la pression d’une colonne de distillation appelée deuxième pression, inférieure à la première pression, des moyens pour envoyer la première fraction détendue à un niveau intermédiaire de la colonne de distillation, des moyens pour sortir la deuxième fraction du bout froid du moyen d’échange de chaleur après refroidissement, des moyens pour détendre la deuxième fraction refroidie jusqu’à la pression de la colonne de distillation, des moyens pour envoyer la deuxième fraction détendue de la colonne de distillation à un niveau au-dessus du niveau intermédiaire et des moyens pour soutirer de la cuve de la colonne un débit liquide contenant au moins 99% mol de dioxyde de carbone comme produit liquide. Selon d’autres aspects facultatifs, il est prévu : des moyens pour envoyer au moins une partie du produit liquide se vaporiser dans le moyen d’échange de chaleur, des moyens pour envoyer un gaz de tête de la colonne de distillation se réchauffer dans le moyen d’échange de chaleur. L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux Figures. et illustrent des procédés selon l’invention. Dans la , le débit 1 contenant au moins 95% mol de dioxyde de carbone contient également au moins une autre impureté, telle que l’oxygène, l’azote, l’argon, le monoxyde de carbone. Le débit 1 à une première pression est comprimé dans un compresseur C2 jusqu’à une première pression plus élevée que celle de la colonne K pour former un débit comprimé 5 à la première pression. La première pression est supérieure d’au moins 1 bar à celle de la colonne K, de préférence d’au moins 10 bars, voire d’au moins 20, 30 ou 40 bars supérieure à celle de la colonne K. Par exemple, la première pression peut être d’au moins 50 bars. Le débit comprimé 5 se refroidit dans le moyen d’échange de chaleur E à échange indirect pour former un débit refroidi et liquéfié 2 à la première pression. Le débit refroidi et liquéfié est divisé en deux parties 7,9 dans le moyen d’échange de chaleur. La partie 7 sort du moyen d’échange de chaleur E à une température intermédiaire T1 de celui-ci sans avoir été détendu en amont du point de division. Il sera compris que le moyen d’échange de chaleur E peut être composé d’un seul échangeur de chaleur comme illustré dans la figure. Il peut être également être composé d’une pluralité d’échangeurs de chaleur. Dans ce cas le débit 7 ne serait pas soutiré à un niveau intermédiaire d’un seul échangeur de chaleur mais au bout froid d’un des échangeurs de chaleur qui forment le moyen d’échange de chaleur. Les deux fractions 7,9 se trouvent à la première pression supérieure à celle de la colonne d’au moins 1 bar. La deuxième fraction 9 poursuit son refroidissement jusqu’au bout froid de l’échangeur de chaleur E pour la sousrefroidir dans le moyen d’échange de chaleur principal jusqu’à une température minimum proche du point triple du CO2. Ensuite elle est détendue à la pression de la colonne K dans la vanne 50 et envoyé comme débit liquide en haut d’une colonne de distillation K au-dessus du point d’arrivée de la première fraction 7. La colonne est une simple colonne, n’ayant pas de condenseur de tête. Elle contient des plateaux ou des garnissages structurés et opère à une deuxième pression plus basse que la première pression. Elle comprend une première section ayant un premier diamètre et une deuxième section au-dessus de la première section ayant un diamètre inférieur au premier diamètre. La première fraction 7 est envoyée à la colonne K à un niveau intermédiaire de celle-ci, par exemple entre la première et la deuxième sections après détente depuis la première pression jusqu’à la pression de la colonne K dans la vanne 50. Le liquide de cuve 13 de la colonne K contient au moins 99% mol de dioxyde de carbone et est divisé en trois parties. Une partie 19 sert de produit liquide riche en dioxyde de carbone. Une partie 21 est détendue dans la vanne 80 pour former un débit diphasique séparé dans un séparateur de phases 90. La partie gazeuse 23 se réchauffe dans l’échangeur et est envoyé au compresseur C1. La partie liquide 25 est vaporisée et réchauffée dans le moyen d’échange de chaleur E du bout froid jusqu’au bout chaud. Elle peut être divisée en plusieurs parties qui sont détendues à des pressions différentes, introduites au bout froid de le moyen d’échange de chaleur E et vaporisées à des pressions différentes, pour optimiser l’échange de chaleur. En aval du bout chaud, le gaz formé est comprimé dans un compresseur C1 et rejoint le gaz 1 pour former le gaz 3. Il sera compris que les compresseurs C1 et C2 peuvent être des étages du même compresseur. Selon la pression à laquelle est vaporisé le débit 21, le compresseur C1 peut être éliminé et le gaz formé en vaporisant le débit 21 peut être envoyé à l’entrée du compresseur C2. La pression de vaporisation du débit 21 peut être supérieure, égale ou inférieure à la pression du débit 1 à traiter. Ainsi on peut par exemple comprimer le débit 1 dans au moins un premier compresseur (ou étage de compresseur) pour être rejoint par le débit vaporisé 21 à pression plus élevée. Éventuellement les deux débits mélangés peuvent être comprimés ensemble pour former le débit 2. Une partie 15 du liquide de cuve se réchauffe à partir d’une troisième température T3>T2>T1 au bout chaud du moyen d’échange de chaleur E et est détendue dans une vanne et renvoyée en cuve sous forme gazeuse pour alimenter la colonne K. Les fluides 7,9, 15 introduits dans la colonne participent à la distillation et sont séparés pour former un produit riche en dioxyde de carbone 19. Une partie du liquide de cuve et/ou du liquide vaporisé peut servir de produit du procédé contenant au moins 99%, voire au moins 99, 8% de dioxyde de carbone. Le gaz de tête de la colonne contient au moins une impureté plus légr que le dioxyde de carbone telles que l’oxygène, l’azote et l’argon. Il est réchauffé dans le moyen d’échange de chaleur E dans l’exemple mais ne l’est pas nécessairement. De même aucun liquide provenant de la distillation n’est nécessairement réchauffé dans le moyen d’échange de chaleur. Les frigories pour refroidir le gaz à séparer peuvent être fournies par un cycle de réfrigération et/ou un apport de froid d’une source extérieure, par exemple une arrivée de liquide à basse température. On remarque l’absence d’un condenseur de tête de colonne K, l’absence de pot séparateur pour le gaz de tête et le fait que le schéma ne comprend pas de pompe, à part éventuellement une pompe de produit. La colonne K opère à au moins 10 bars, de préférence entre 10 et 16 bars. En variante, illustrée dans la , on peut séparer les fractions du gaz d’alimentation 5 après avoir sorti le débit 5 à une température intermédiaire de l’échangeur E. La première fraction 7, comme avant, est détendue dans la vanne 40 et envoyée à un niveau intermédiaire de la colonne K. La deuxième fraction 9 est détendue une première fois en sortie d’échangeur principal E avec une vanne 30 jusqu’à une pression intermédiaire (par exemple de 55 bars à 31 bars, si la première pression est de 55 bars). Ensuite elle est renvoyée au moyen d’échange de chaleur à une température plus élevée, puisque la détente dans la vanne 30 a augmenté la température du débit. La deuxième fraction 9 se refroidit jusqu’au bout froid de le moyen d’échange de chaleur puis est détendue une deuxième fois avec une vanne 50 après sous refroidissement dans l’échangeur principal E, par exemple de 31 bars jusqu’à la pression de la colonne K (par exemple entre 10 et 16 bars). Ce système permet de minimiser la température du reflux résultante de la détente. En effet, les détentes peuvent s’accompagner d’une hausse de température dans les conditions du liquéfacteur. Réduire la chute de pression finale (tout en considérant une température de -52°C avant détente dans la vanne ) permet de minimiser cette hausse et donc d'obtenir un reflux le plus froid possible, ceci dans le but de limiter les pertes de CO 2 en tête de colonne. Pour les deux exemples le rapport entre les débits des première et deuxième fractions est variable selon la pureté en dioxyde de carbone du débit à séparer. Ainsi plus le débit 1 est pur en dioxyde de carbone, plus la première fraction 7 sera petite et la deuxième fraction 9 sera grande. Dans les deux exemples, le procédé est maintenu en froid par la détente du débit d’alimentation, aucune turbine de détente n’étant nécessaire. 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 (1) jusqu’à une première température intermédiaire entre celles du bout froid et du bout chaud d’un moyen d’échange de chaleur (E) 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 (K) 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, et On soutire en cuve de la colonne un débit liquide (13) contenant au moins 99% mol de dioxyde de carbone comme produit liquide (17, 21). Procédé selon la revendication 1 dans lequel au moins une partie du gaz de tête (11) de la colonne de distillation (K) est soutiré de la colonne et réchauffé dans le moyen d’échange de chaleur (E). Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel on divise le débit pour former les première et deuxième fractions (7,9) en dehors du moyen d’échange de chaleur (E) et on détend la deuxième fraction dans une vanne (30) jusqu’à une troisième pression intermédiaire entre la première pression et celle de la colonne de distillation avant de la renvoyer au moyen d’échange de chaleur pour la refroidir. Procédé selon la revendication 3 dans lequel on renvoie la deuxième fraction (9) au moyen d’échange de chaleur (E) à une deuxième température supérieure à la première température. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie (15) du liquide de cuve de la colonne (K) se réchauffe dans le moyen d’échange de chaleur (E) contre le débit à séparer et est renvoyée sous forme gazeuse en cuve de la colonne. Procédé selon la revendication 5 dans lequel la partie (15) du liquide de cuve est envoyée au moyen d’échange de chaleur (E) à une troisième température plus élevée que la première température intermédiaire, et éventuellement que la deuxième température. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la colonne (K) comprend deux sections, une première section entre les arrivées des première et deuxième fractions et une deuxième section en dessous de l’arrivée de la première fraction, la première section ayant un diamètre inférieur ou égal à celui de la deuxième section. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le rapport entre les débits des première et deuxième fractions (7,9) est variable selon la pureté en dioxyde de carbone du débit à séparer. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la première pression est supérieure à celle de la colonne (K) d’au moins 1 bar, voire d’au moins 10 bars, préférentiellement d’au moins 20 bars, ou d’au moins 30 bars. Appareil 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 comprenant un moyen d’échange de chaleur (E) , une colonne de distillation (K) , des moyens pour envoyer le débit se refroidir dans le moyen d’échange de chaleur jusqu’à une première température intermédiaire entre celles du bout froid et du bout chaud du moyen d’échange de chaleur pour former un débit liquide à une première température et à une première pression, des moyens pour diviser le débit liquide en au moins deux pour former une première fraction et une deuxième fraction (7,9), des moyens pour détendre la première fraction jusqu’à la pression d’une colonne de distillation appelée deuxième pression, inférieure à la première pression, des moyens pour envoyer la première fraction détendue à un niveau intermédiaire de la colonne de distillation, des moyens pour sortir la deuxième fraction du bout froid du moyen d’échange de chaleur après refroidissement, des moyens pour détendre la deuxième fraction refroidie jusqu’à la pression de la colonne de distillation, des moyens pour envoyer la deuxième fraction détendue de la colonne de distillation à un niveau au-dessus du niveau intermédiaire et des moyens pour soutirer de la cuve de la colonne un débit liquide contenant au moins 99% mol de dioxyde de carbone comme produit liquide.