Brevet FR3122918A1 — publié le 20221118

Titre : Procédé et appareil de liquéfaction d’un gaz riche en dioxyde de carbone Dans un procédé de liquéfaction d'un flux gazeux riche en CO2 contenant au moins 90% mol de CO2 ont lieu les étapes suivantes : compression (C2, C3) du flux gazeux riche en CO2. liquéfaction (L) et séparation afin de produire un premier flux liquide à une première pression MP et une première température T1. extraction d’une partie du premier flux liquide à la première pression et la première température comme premier produit., sous-refroidissement d' une partie du premier flux liquide jusqu’à une température inférieure à la première température par échange de chaleur indirect dans un échangeur de chaleur, détente du liquide sous refroidi jusqu’à la deuxième température T2 jusqu’à une deuxième pression inférieure à la première pression, la deuxième pression étant égale ou supérieure à la pression d’équilibre du liquide détendu et extraction d’une partie du liquide détendu comme deuxième produit et vaporisation d'une autre partie du liquide dans l’échangeur de chaleur par échange de chaleur avec la partie du premier flux pour produire un liquide vaporisé. Figure de l’abrégé : Figure 2 Procédé et appareil de liquéfaction d’un gaz riche en dioxyde de carbone La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de liquéfaction d’un gaz riche en dioxyde de carbone. Les liquéfacteurs actuels produisent du dioxyde de carbone liquide à entre 13 et 18 bars. Les petits liquéfacteurs produisant entre 10 et 800 tonnes par jour compriment du dioxyde de carbone à une pression légèrement au-dessus de la pression requise pour le liquide et utilisent des groupes frigorifiques à l’ammoniac produisant du froid à environ -30°C. Quand le dioxyde de carbone est requis à des pressions plus basses, d’autres réfrigérants peuvent être utilisés, à base de propane (pour refroidir jusqu’à -40°C) ou de cascades NH 3 /CO 2 ou de mélanges de gaz. Pour des appareils plus grands, les schémas préférés augmentent la pression à entre 55 et 75 bara et liquéfient le dioxyde de carbone avec de l’eau (par exemple à 20°C). Le dioxyde de carbone liquide est ensuite sous-refroidi jusqu’à la température du stockage. Le sous-refroidissement est effectué en vaporisant une partie du liquide sous-refroidi ou par un groupe frigorifique externe. Pour du dioxyde de carbone à transporter par bateau, la pression de transport est actuellement entre 15 et 18 bara et à l’avenir, des pressions plus basses seront envisagées, ce qui permettra d’augmenter la taille des bateaux et de bénéficier d’une densité de liquide plus élevée. Un but de la présente invention est de proposer un procédé de production de dioxyde de carbone liquide à une première pression et une première température ainsi qu’à une deuxième pression et une deuxième température, tout en minimisant la consommation d’énergie et les investissements. Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé de liquéfaction d’un gaz riche en dioxyde de carbone pour produire dans un premier temps uniquement un premier liquide à une première pression et une première température, le procédé étant modifiable par la suite pour produire en plus un deuxième liquide à une deuxième température plus basse que la première température et une deuxième pression plus basse que la deuxième pression. Ce procédé permet de modifier un appareil existant produisant un seul débit de dioxyde de carbone à une pression et à une température données pour pouvoir produire en plus un deuxième débit de dioxyde de carbone avec substantiellement la même pureté que le premier mais à une pression et à une température plus basses. Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de liquéfaction d'un flux gazeux riche en CO2 contenant au moins 90% mol de CO2 comprenant les étapes suivantes : compression et éventuellement séchage du flux gazeux riche en CO2 dans un compresseur liquéfaction et séparation par distillation et/ou séparation de phases afin de produire un premier flux liquide à une première pression MP et une première température T1. extraction d’une partie du premier flux liquide à la première pression et la première température comme premier produit. sous-refroidissement d' une partie du premier flux liquide jusqu’à une température inférieure à la première température par échange de chaleur indirect dans un échangeur de chaleur. détente du liquide sous refroidi jusqu’à la deuxième température T2 jusqu’à une deuxième pression inférieure à la première pression, la deuxième pression étant égale ou supérieure à la pression d’équilibre du liquide détendu. extraction d’une partie du liquide détendu comme deuxième produit et vaporisation d'une autre partie du liquide, détendu , dans l’échangeur de chaleur par échange de chaleur avec la partie du premier flux pour produire un liquide vaporisé et éventuellement. recyclage d’au moins une partie du flux de liquide vaporisé vers l'étape a) et/ou l’étape b). Selon d’autres aspects facultatifs, pouvant être combinés entre eux de toute manière compatible avec la science et la logique : la première pression est supérieure à 14 bara, de préférence entre 15 et 19 bara. -la première température est inférieure à la température d’équilibre d’au plus 5°C ou égale à la température d’équilibre. la deuxième pression est inférieure ou égale à 10 bara, de préférence entre 6 et 8 bara. la deuxième température est inférieure à la température d’équilibre d’au plus 5°C ou égale à la température d’équilibre. une partie du premier flux liquéfié à une pression égale ou supérieure à la première pression est envoyé à l’échangeur de chaleur au moins une partie du premier flux liquéfié est envoyé à un stockage le premier produit est soutiré du stockage l’au moins une partie du premier flux liquéfié est envoyé au stockage et ensuite à l’échangeur de chaleur un gaz est soutiré du stockage et envoyé se liquéfier dans l’échangeur de chaleur au moins une partie du gaz soutiré du stockage et ensuite liquéfié sert comme deuxième produit au moins une partie du gaz soutiré du stockage et ensuite liquéfié est détendue et se vaporise dans l’échangeur de chaleur du gaz vaporisé dans l’échangeur de chaleur transfère du froid au flux gazeux riche en CO2, par exemple pendant l’étape de liquéfaction et/ou de distillation. l’échangeur de chaleur échange de la chaleur entre le liquide détendu et le premier flux uniquement. l’échangeur de chaleur est un échangeur de chaleur indirect le compresseur comprime le flux riche en CO2 jusqu’à au moins 60 bara, le flux à au moins 60 bara est refroidi dans un deuxième échangeur de chaleur jusqu’à une température inférieure à 35°C avant d'être liquéfié. du gaz vaporisé dans l’échangeur de chaleur est envoyé à un point en amont de la liquéfaction du flux gazeux, par exemple à un point inter-étage du compresseur qui effectue l’étape de compression. du liquide est sous refroidi depuis la première pression ou une pression supérieure à la première pression jusqu’à la deuxième température T2 et jusqu’à la deuxième pression. Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu un appareil de de liquéfaction d'un flux gazeux riche en CO2 contenant au moins 90% mol de CO 2 comprenant Un compresseur et éventuellement une unité de séchage et des moyens pour envoyer du flux gazeux riche en CO2 au compresseur Des moyens de liquéfaction reliés au compresseur et éventuellement à l’unité de séchage pour liquéfier le flux gazeux riche en CO2 et des moyens de séparation par distillation et/ou séparation de phases pour séparer le flux gazeux liquéfié afin de produire un premier flux à une première pression MP et une première température T1, un échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer une partie du premier flux ou du flux gazeux liquéfié se refroidir dans l’échangeur de chaleur, des moyens pour sortir une partie du premier flux refroidi dans l’échangeur de chaleur comme produit, des moyens pour détendre une partie du premier flux refroidi reliés à l’échangeur de chaleur pour permettre un échange de chaleur entre le premier flux et la partie du premier flux détendu et éventuellement des moyens pour envoyer au moins une portion de la partie du premier flux réchauffé dans l’échangeur de chaleur au compresseur ou à un autre compresseur pour être comprimé. Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu un procédé de modification d’un appareil de de liquéfaction d'un flux gazeux riche en CO 2 contenant au moins 90% mol de CO 2 dans lequel un appareil existant comprend Un compresseur et éventuellement une unité de séchage et des moyens pour envoyer du flux gazeux riche en CO 2 au compresseur Des moyens de liquéfaction reliés au compresseur et éventuellement à l’unité de séchage pour liquéfier le flux gazeux riche en CO 2 et des moyens de séparation par distillation et/ou séparation de phases pour séparer le flux gazeux liquéfié afin de produire un premier flux à une première pression MP et une première température T1 et dans lequel l’appareil est modifié en rajoutant un échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer une partie du premier flux ou du flux gazeux liquéfié se refroidir dans l’échangeur de chaleur, des moyens pour sortir une partie du premier flux refroidi dans l’échangeur de chaleur comme produit, des moyens pour détendre une partie du premier flux refroidi reliés à l’échangeur de chaleur pour permettre un échange de chaleur entre le premier flux et la partie du premier flux détendu et éventuellement des moyens pour envoyer la partie du premier flux réchauffé dans l’échangeur de chaleur au compresseur ou à un autre compresseur pour être comprimé . De préférence un compresseur dédié comprime le premier flux réchauffé éventuellement en amont du compresseur. Le premier flux recyclé peut être envoyé à tout point en amont de l’élément H1 voire à l’élément H1. Dans ce cas, il faut prévoir un compresseur dédié. L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures. montre un appareil à modifier pour mettre en œuvre un procédé selon l’invention. montre un appareil pour mettre en œuvre un procédé selon l’invention. montre une variante de la . montre une variante de la . montre une variante de la [FIG. 4]. montre un appareil à modifier pour mettre en œuvre un procédé selon l’invention. montre un appareil pour mettre en œuvre un procédé selon l’invention. montre un appareil capable de liquéfier un débit riche en dioxyde de carbone, capable de produire un seul produit 11 à une première pression et à une première température. La première pression est de préférence supérieure à 14 bara, par exemple entre 15 et 19 bara. La première température est inférieure à la température d’équilibre d’au plus 5°C ou égale à la température d’équilibre. Un gaz 1 contenant au moins 80% mol, de préférence au moins 95% mol de dioxyde de carbone ainsi que des impuretés tels que le monoxyde de carbone, l’azote ou l’oxygène est comprimé dans la première partie C2 d’un compresseur, comprenant au moins un étage. Ensuite il est comprimé dans la deuxième partie C3 du compresseur, comprenant au moins un étage, pour atteindre une pression supérieure à la pression critique. Le gaz 3 est liquéfié et séparé dans une unité H1, par exemple par distillation et/ou par condensation partielle dans un séparateur de phase pour éliminer des impuretés légères et/ou lourdes présentes dans le gaz 1, 3. Le liquide formé 5 est détendu dans une vanne V2 pour former le produit 11. On notera la présence du compresseur C1 qui peut être utilisé ou non selon les conditions à atteindre au niveau du produit mais également le rendement souhaité, mais qui est prévu dès l’installation de l’appareil de la en vue d’une modification ultérieure. Ce compresseur C1 peut être le premier étage d’un compresseur C1, C2, C3 ou être un compresseur indépendant. montre la façon de modifier l’appareil de la pour permettre la production d’un deuxième produit 17 à une deuxième pression inférieure à la première pression et à une deuxième température, de préférence à partir du même débit d’alimentation. La deuxième pression est de préférence inférieure ou égale à 10 bara, par exemple entre 6 et 8 bara. La deuxième température est de préférence inférieure à la température d’équilibre d’au plus 5°C ou égale à la température d’équilibre. Le liquide détendu dans la vanne V2 est séparé en deux, une partie formant le premier produit 11 et le reste 13 étant envoyé à un échangeur de chaleur H2 par échange de chaleur indirect, de type à plaques et à ailettes en aluminium brasé par exemple. Le liquide 13 se refroidit dans l’échangeur H2 pour former un liquide sous refroidi 15 qui est détendu dans une vanne V3 pour former le produit 17. Une partie du liquide sous refroidi 15 est détendue dans une vanne V4 pour le refroidir afin de fournir l’énergie nécessaire au refroidissement du liquide 13 lors de sa vaporisation dans H2. Le débit formé 21est renvoyé au compresseur C1. Il est ensuite mélangé avec le gaz 1 et poursuit sa compression dans les étages C2, C3. Le débit 21 peut être envoyé totalement ou en partie à la compression et/ou à la liquéfaction et/ou à la séparation. Il peut également ne pas être recyclé totalement ou en partie. Il va de soi qu’en cas de recyclage prévu, les éléments de la sont dimensionnés en vue des modifications futures de la en particulier le compresseur C2, C3 est dimensionné pour pouvoir comprimer éventuellement le débit recyclé 21. montre une variante de la où le liquide 13 est soutiré en amont de la vanne V2, ceci à des fins d’optimisation énergétique mais également de contraintes liées à la technologie de l’échangeur H2 dans le cas de fluide diphasiques. Ainsi le débit 5 est divisé en deux en amont de la vanne V2 pour former le débit 13 à envoyer à l’échangeur de chaleur H2 et le débit 11 à détendre dans la vanne V2 pour former un produit. est une variante de la où le liquide 5 est envoyé en totalité à un ’un stockage intermédiaire 100 qui a été, de préférence, investi au début du cycle de vie de l’unité de liquéfaction (voir pour produire un produit liquide 11 riche CO2 à une première pression qui est soutiré du stockage 100. Le liquide 13 est soutiré du stockage 100 pour être envoyé à H2 afin de produire le produit CO2 à une seconde pression inférieure à la première. est une variante de la qui permet dans le cas où le liquide du stockage 100 se vaporise partiellement à cause des entrées de chaleur ou changement d’équilibre, de traiter la phase vapeur 22 prise en partie haute du stockage 100. Le gaz 22 est envoyé se refroidir dans l’échangeur H2 afin de le liquéfier en formant un liquide 23 à une seconde pression. Ce liquide 23 peut être mélangé avec le fluide 15 pour former le produit ou vaporisé avec ou sans le débit 19. montre un appareil capable de liquéfier un débit riche en dioxyde de carbone, capable de produire un seul produit 11 à une première pression et à une première température. L’appareil est similaire à la mais ne comprend pas le compresseur C1 prévu d’avance. Après compression le gaz 3 est refroidi dans un refroidisseur CW par un fluide frigorigène dont la température est susceptible à changer avec la température ambiante, par exemple l’air ou l’eau pour former un gaz supercritique 3 avec une densité entre 370 et 900 kg/m 3 . Le gaz est refroidi dans un échangeur de chaleur 6 à tube et à calandre ou à plaques aluminium brasées pour atteindre une température subcritique, par exemple entre 5°C et 25°C. Le fluide 4 formé est détendu dans une vanne 50 jusqu’à une pression entre 45 et 60 bara pour former un fluide diphasique qui est ensuite séparé dans un séparateur de phases 60. Une partie 8 du liquide du séparateur de phases 60 sert à refroidir le premier échangeur de chaleur 6. Dans cet exemple le liquide 8 se vaporise dans l’échangeur 6 et est renvoyé au gaz à séparer 1 entre les deux parties C2, C3 du compresseur. Sinon le transfert de froid vers l’échangeur de chaleur peut se réaliser à travers un autre moyen, donc le liquide 8 n’est pas nécessairement envoyé lui-même dans le premier échangeur 6. Une autre partie 11 du liquide de séparateur de phases 60 constitue le seul produit de l’appareil de cette figure, à une première pression et à une première température. Il est possible de remplacer la séparation par condensation partielle dans le séparateur de phases 60 par de la distillation dans une colonne de distillation, le gaz de tête de la colonne de distillation comprenant des impuretés légères et le liquide de cuve de la colonne formant les parties 8, 11 dont le premier produit. Il sera aisément compris que des procédés plus complexes utilisant la condensation partielle et la distillation ou de la distillation impliquant plusieurs colonnes pourraient être utilisés. La portion de l’appareil désigné comme H1 correspond à l’unité H1 de la ; montre la modifiée pour permettre la production d’un deuxième produit 17 à une deuxième pression inférieure à la première pression et à une deuxième température. Cette modification consiste à rajouter la conduite 13, l’échangeur de chaleur H2, les vannes V3, V4, les conduites 15, 17, 19. Ainsi une partie 13 du liquide de cuve du séparateur de phases 60 est refroidie dans l’échangeur de chaleur H2 pour former le liquide refroidi 15. Ce liquide est séparé en deux. Une partie 17 est détendue dans la V3 jusqu’à la deuxième pression et la deuxième température pour former le deuxième produit. Le reste 19 est détendu dans la vanne V4 pour le refroidir, vaporisé dans l’échangeur de chaleur 19 pour former le gaz 21 et renvoyé au compresseur C2. Il sera apprécié que ce rajout d’un simple module, décrit pour les et ,permet d’obtenir un deuxième produit en modifiant légèrement le schéma initial. L’échangeur de chaleur H2, permettant un échange de chaleur indirect entre seulement deux fluides est un équipement peu coûteux et facilement disponible, par exemple un échangeur à plaques et à ailettes ou un échangeur à calandre et à tuyaux. Il sera compris que le gaz vaporisé 21 peut être renvoyé à tout point adapté du procédé par exemple en amont du compresseur C2, en aval de C2 et en amont de C3, en aval de C3 et en amont de H1 ou 50 en aval de CW et en amont de 6. Il est de même possible lorsqu’il est nécessaire ou lorsque les équipements ne sont pas dimensionnés pour récupérer le gaz vaporisé 21, d’ajouter un compresseur dédié C4 (non-illustré) comprimant le gaz 21 à une pression adéquate pour être réinjecté à un point adapté du procédé. Le débit 21 peut être envoyé totalement ou en partie à la compression et/ou à la liquéfaction et/ou à la séparation. Il peut également ne pas être recyclé totalement ou en partie. Il va de soi qu’en cas de recyclage prévu, les éléments de la sont dimensionnés en vue des modifications futures de la en particulier le compresseur C2, C3 est dimensionné pour pouvoir comprimer éventuellement le débit recyclé 21. Procédé de liquéfaction d'un flux gazeux riche en CO 2 contenant au moins 90% mol de CO 2 comprenant les étapes suivantes : compression (C2, C3) et éventuellement séchage du flux gazeux riche en CO2 dans un compresseur liquéfaction (CW, 6) et séparation par distillation et/ou séparation de phases (60) afin de produire un premier flux liquide (5) à une première pression MP et une première température T1 extraction d’une partie (11) du premier flux liquide à la première pression et la première température comme premier produit. sous-refroidissement d' une partie (13) du premier flux liquide jusqu’à une température inférieure à la première température par échange de chaleur indirect dans un échangeur de chaleur (H2) détente du liquide sous refroidi jusqu’à la deuxième température T2 jusqu’à une deuxième pression inférieure à la première pression, la deuxième pression étant égale ou supérieure à la pression d’équilibre du liquide détendu extraction d’une partie du liquide détendu comme deuxième produit et vaporisation d'une autre partie du liquide (19), détendu (V4), dans l’échangeur de chaleur par échange de chaleur avec la partie du premier flux pour produire un liquide vaporisé et éventuellement. recyclage d’au moins une partie (21) du flux de liquide vaporisé vers l'étape a) et/ou l’étape b). Procédé selon la revendication 1 dans lequel la première pression est supérieure à 14 bara, de préférence entre 15 et 19 bara. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel la première température est inférieure à la température d’équilibre d’au plus 5°C ou égale à la température d’équilibre. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel la deuxième pression est inférieure ou égale à 10 bara, de préférence entre 6 et 8 bara. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel la deuxième température est inférieure à la température d’équilibre d’au plus 5°C ou égale à la température d’équilibre. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel du gaz vaporisé (21) dans l’échangeur de chaleur (H2) transfère du froid au flux gazeux riche en CO 2 , par exemple pendant l’étape de liquéfaction et/ou de distillation (H1). Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’échangeur de chaleur (H2) échange de la chaleur entre le liquide détendu et le premier flux uniquement. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le compresseur (C2, C3) comprime le flux riche en CO 2 jusqu’à au moins 60 bara, le flux à au moins 60 bara est refroidi dans un deuxième échangeur de chaleur (6) jusqu’à une température inférieure à 35°C avant d'être liquéfié. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel du gaz vaporisé (21) dans l’échangeur de chaleur (H2) est envoyé à un point en amont de la liquéfaction du flux gazeux, par exemple à un point inter-étage du compresseur (C2, C3) qui effectue l’étape de compression. Procédé de modification d’un appareil de de liquéfaction d'un flux gazeux riche en CO2 contenant au moins 90% mol de CO 2 dans lequel un appareil existant comprenant Un compresseur (C2, C3) et éventuellement une unité de séchage et des moyens pour envoyer du flux gazeux riche en CO 2 au compresseur Des moyens de liquéfaction (H1) reliés au compresseur et éventuellement à l’unité de séchage pour liquéfier le flux gazeux riche en CO2 et des moyens de séparation par distillation et/ou séparation de phases (H1) pour séparer le flux gazeux liquéfié afin de produire un premier flux à une première pression MP et une première température T1 et dans lequel l’appareil est modifié en rajoutant un échangeur de chaleur (H2), des moyens pour envoyer une partie du flux gazeux liquéfié ou du premier flux se refroidir dans l’échangeur de chaleur, des moyens pour sortir une partie du premier flux refroidi dans l’échangeur de chaleur comme produit, des moyens pour détendre une partie du premier flux refroidi reliés à l’échangeur de chaleur pour permettre un échange de chaleur entre le premier flux et la partie du premier flux détendu et éventuellement des moyens pour envoyer au moins une portion de la partie du premier flux réchauffé (21) dans l’échangeur de chaleur au compresseur ou à un autre compresseur pour être comprimé. Procédé selon la revendication 10 dans lequel un compresseur dédié (C1) comprime le premier flux réchauffé éventuellement en amont du compresseur.