Brevet FR3132566A1 — publié le 20230811

Titre : Procédé et appareil de refroidissement de dioxyde de carbone et d’hydrogène Le froid d’un débit de gaz naturel liquéfié (3) sert à refroidir de l’hydrogène (250) et du dioxyde de carbone (15) en réchauffant le gaz naturel liquéfié dans un échangeur de chaleur où se refroidissent les gaz (9, 39) de deux cycles de transfert de frigories indépendants. Figure d’abrégé FIG.1 Procédé et appareil de refroidissement de dioxyde de carbone et d’hydrogène La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de refroidissement, voire de liquéfaction, de dioxyde de carbone et de refroidissement, voire de liquéfaction d’hydrogène. Elle concerne également un tel procédé qui utilise des frigories venant d’un débit de gaz naturel liquéfié. Un but de l’invention est de récupérer du froid de vaporisation d’un débit de gaz naturel liquéfié et ainsi de réduire l’énergie nécessaire pour liquéfier du dioxyde de carbone et de l’hydrogène de manière simultanée. Il est connu de récupérer du froid de la vaporisation de gaz naturel liquéfié (GNL) pour un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique. La liquéfaction de dioxyde de carbone utilise classiquement le froid provenant d’un cycle d’ammoniac ou des cycles de réfrigération. La liquéfaction d’hydrogène utilise classiquement deux étapes ; une étape de pré-refroidissement, jusqu’à 80K suivie d’une étape de refroidissement jusqu’à 20K, le froid nécessaire étant fourni par un cycle de refroidissement indépendant pour chaque étape. Il est connu de US20100083695 d’utiliser le froid d’un débit de gaz naturel liquéfié pour refroidir de l’hydrogène à liquéfier à travers un circuit fermé de fluide réfrigérant. La présente invention propose d’utiliser le froid produit par la vaporisation d’un débit de gaz naturel liquéfié pour condenser un débit de dioxyde de carbone gazeux et pour refroidir un débit d’hydrogène gazeux. Il n’est pas prévu, par contre, de solidifier le dioxyde de carbone. Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de refroidissement, voire de condensation au moins partielle, de dioxyde de carbone gazeux et de refroidissement, voire de liquéfaction au moins partielle, d’hydrogène gazeux comprenant Une étape de compression d’un premier débit intermédiaire et une étape de compression d’un deuxième débit intermédiaire, Une étape d’échange de chaleur indirect, de préférence dans un premier échangeur de chaleur, entre un premier débit de gaz naturel liquéfié ou avec un débit de gaz naturel à une température inférieure à -50°C et au moins le premier et le deuxième débits intermédiaires comprimés dans l’étape i) pour refroidir le premier débit intermédiaire jusqu’à une température T1 entre -30°C et -100°C, voire entre -30°C et -80°C de préférence entre -25°C et -60°C et pour refroidir le deuxième débit intermédiaire jusqu’à une température inférieure à T1, de préférence entre -130°C et -150°C et pour former un premier débit gaz liquéfié réchauffé voire vaporisé ou un débit de gaz naturel réchauffé, Une étape d’envoyer le premier débit intermédiaire refroidi jusqu’à une température entre -30°C et -100°C à un deuxième échangeur de chaleur indirecte où il refroidit un débit riche en dioxyde de carbone qui de préférence se condense au moins partiellement, Une étape d’envoyer le deuxième débit intermédiaire refroidi jusqu’à entre -130°C et -150°C à un troisième échangeur de chaleur indirecte où il refroidit un débit d’hydrogène et éventuellement un fluide de cycle, et Une étape de refroidissement, voire de liquéfaction au moins partielle du débit d’hydrogène refroidi dans l’étape iv). Selon d’autres aspects facultatifs : le deuxième débit intermédiaire est détendu, par exemple dans une turbine ou une vanne Joule Thomson, avant d’être envoyé au troisième échangeur de chaleur. le premier débit intermédiaire circule dans un circuit fermé comprenant un premier compresseur et traversant le premier échangeur de chaleur et/ou le deuxième débit intermédiaire circule dans un circuit fermé comprenant un deuxième compresseur et traversant le premier échangeur de chaleur. le premier débit intermédiaire traverse le premier échangeur du bout chaud vers un point intermédiaire entre les bouts chaud et froid. le deuxième débit intermédiaire traverse le premier échangeur de chaleur du bout chaud au bout froid. un débit de gaz naturel liquéfie est divisé en deux pour former le premier débit de gaz naturel liquéfie et un deuxième débit de gaz naturel liquéfié, le deuxième débit de gaz naturel liquéfié se réchauffant dans un quatrième échangeur de chaleur indirect avec une partie du premier débit intermédiaire. le quatrième échangeur de chaleur est un échangeur de type à calandre et à tubes ou bobiné. le premier échangeur de chaleur est un échangeur à plaques et à ailettes. le premier échangeur de chaleur est un échangeur à plaques et à ailettes en aluminium brasé l’écart maximal de températures du premier échangeur de chaleur est de 25°C, voire de 20°C ou même de 15°C. la différence de température entre le deuxième débit de gaz naturel liquéfié et une partie du le premier fluide intermédiaire à l’extrémité la plus froide du quatrième échangeur de chaleur est supérieure à 30°C, voire supérieure à 50°C ou même supérieure à 80°C. l’étape de compression du premier débit intermédiaire et/ou l’étape de compression du deuxième débit intermédiaire est effectuée avec une température de début de compression égale ou inférieure à 28°C, voire inférieure à 0°C. le premier et/ou le deuxième fluide intermédiaire contient au moins 50% mol d’azote, voire au moins 90% mol d’azote, ou même 99% mol d’azote. le premier et/ou le deuxième fluide intermédiaire reste à l’état gazeux pendant tout refroidissement du procédé. le débit molaire D du deuxième fluide intermédiaire et le débit molaire D1 de la fraction du premier fluide intermédiaire échangeant de la chaleur avec le premier débit de gaz naturel liquéfié ou de gaz naturel sont choisis de sorte que 0,9D le gaz riche en dioxyde de carbone contient au moins 90% mol de dioxyde de carbone, voire au moins 95% de dioxyde de carbone. l’étape ii) est une étape d’échange de chaleur indirect, de préférence dans un premier échangeur de chaleur, entre un premier débit de gaz naturel liquéfié et les premier et deuxième fluide intermédiaires l’étape ii) est une étape d’échange de chaleur indirect, de préférence dans un premier échangeur de chaleur, entre un débit de gaz naturel à une température inférieure à -50°C et les premier et deuxième fluide intermédiaires. le premier débit de gaz naturel liquéfié apporte tout le froid nécessaire pour refroidir, voire liquéfier le dioxyde de carbone et/ou l’hydrogène le débit de gaz naturel à une température inférieure à -50°C apporte tout le froid nécessaire pour refroidir, voire liquéfier le dioxyde de carbone et/ou l’hydrogène Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un appareil de refroidissement, voire de condensation au moins partielle, de dioxyde de carbone gazeux et de refroidissement, voire de liquéfaction au moins partielle, d’hydrogène gazeux comprenant un compresseur d’un premier débit intermédiaire, un compresseur d’un deuxième débit intermédiaire, un premier échangeur de chaleur relié aux compresseurs des premier et deuxième débits intermédiaire, un deuxième échangeur de chaleur indirecte, un troisième échangeur de chaleur indirecte et une conduite d’amenée d’un premier débit de gaz naturel liquéfié ou d’un débit de gaz naturel à une température inférieure à -50°C afin d’échanger de la chaleur pour refroidir au moins le premier et le deuxième débits intermédiaires jusqu’à une température T1 entre -30°C et -100°C, voire entre -30°C et -100°C, voire entre -30°C et -80°C, de préférence entre -25°C et -60°C pour le premier débit intermédiaire et pour refroidir jusqu’à une température inférieure à T1, de préférence entre -130°C et -150°C pour le deuxième débit intermédiaire, une conduite pour envoyer le premier débit intermédiaire refroidi jusqu’à une température entre -30°C et -100°C au deuxième échangeur de chaleur indirecte relié à une conduite d’amenée d’un débit riche en dioxyde de carbone pour que le premier débit intermédiaire refroidisse le débit riche en dioxyde de carbone qui de préférence se condense au moins partiellement, une conduite pour envoyer le deuxième débit intermédiaire refroidi jusqu’à entre -130°C et -150°C au troisième échangeur de chaleur indirecte reliée à une conduite d’amenée d’un débit d’hydrogène pour que le deuxième débit intermédiaire refroidisse le débit d’hydrogène et éventuellement un fluide de cycle et des moyens pour refroidir, voir liquéfier au moins partiellement le débit d’hydrogène refroidi dans le troisième échangeur de chaleur indirecte. Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un procédé de conversion de gaz naturel liquéfié en hydrogène dans lequel un débit de gaz naturel est envoyé alimenter une unité de génération d’hydrogène gazeux ainsi que d’un débit contenant du dioxyde de carbone, dans lequel l’hydrogène gazeux est liquéfié au moins partiellement et du dioxyde de carbone dérivé du débit contenant du dioxyde de carbone est au moins partiellement condensé tel que décrit ci-dessus, du gaz naturel réchauffé ou vaporisé selon le procédé décrit ci-dessus formant au moins partie du débit de gaz naturel envoyé à l’unité de génération d’hydrogène. L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures où : représente un procédé selon l’invention. représente un procédé selon l’invention. illustre un procédé intégré de refroidissement de dioxyde de carbone gazeux, de refroidissement d’hydrogène gazeux et de vaporisation de gaz naturel liquéfié. L’appareil de vaporisation 100 de gaz naturel liquéfié comprend optionnellement une pompe P si le gaz naturel liquéfié 1 n’est pas à la pression requise. Le gaz naturel liquéfié 1 est divisé en deux parties, une partie 3 étant envoyée à un échangeur de chaleur E1 de type à plaques et à ailettes, par exemple en aluminium brasé. Le liquide 3 parcourt tout l’échangeur du bout froid au bout chaud et s’y vaporise. Le reste 5 du liquide 1 est envoyé par la vanne V1 à un échangeur de chaleur E4 où il échange de la chaleur et est vaporisé par un débit 7 de gaz de cycle. Les deux gaz vaporisés dans les échangeurs E1, E4 sont mélangés pour former le gaz naturel vaporisé 45. De préférence le gaz naturel vaporisé 5 sort de l’échanger E1 à une température supérieure à 0°C. Le gaz naturel liquéfié 1,3,5 peut être remplacé par du gaz naturel à moins de -50°C. Le liquéfacteur 500 de dioxyde de carbone comprend un compresseur C3 pour comprimer le dioxyde de carbone gazeux 450. Le gaz comprimé 13 est refroidi, épuré en eau et éventuellement en méthanol puis comprimé dans un compresseur C4, refroidi puis comprimé dans un compresseur C5. Le gaz 15 comprimé dans le compresseur C5 se condense partiellement dans un échangeur de chaleur E2 de type à plaques et à ailettes, par exemple en aluminium brasé. Le gaz 13 est riche en dioxyde de carbone contient au moins 90% mol de dioxyde de carbone, voire au moins 95% de dioxyde de carbone. Le fluide diphasique formé est envoyé à un séparateur de phases S1 qui produit un gaz 17 qui se réchauffe dans l’échangeur E2 et rejoint le gaz à comprimer dans le compresseur C5. Le liquide du séparateur de phases est renvoyé en partie comme liquide 21 qui est vaporisé dans l’échangeur E2 et rejoint le gaz à comprimer dans le compresseur C5. Le reste 19 du liquide du séparateur S1 est envoyé à une colonne de strippage R, dont le liquide de cuve 550 épuré en impuretés légères constitue le CO2 liquéfié. Le gaz de la colonne R se réchauffe dans l’échangeur E2. Si le gaz 13 est suffisamment pur, la colonne R ne sera pas nécessaire. Les frigories nécessaires pour cette liquéfaction dans le liquéfacteur E2 sont récupérées au moins en partie par un cycle fermé. Le premier fluide intermédiaire gaz de cycle 11 se réchauffe dans l’échangeur de chaleur E2, est comprimé dans un compresseur C1 puis est divisé en deux. Une partie 9 du gaz de cycle arrive dans la partie la plus chaude de l’échangeur de chaleur E1 et se refroidit jusqu’à une température intermédiaire de l’échangeur E2. Le reste 7 du gaz de cycle se refroidit dans l’échangeur E4 et les deux fluides 7,9 refroidis sont mélangés pour former le gaz de cycle 11. Le compresseur C1 peut comprimer le gaz de cycle 11 juste suffisamment pour vaincre les pertes de charge ou sinon peut être associé à une turbine qui détend le gaz de cycle. Le liquéfacteur 300 d’hydrogène comprend deux échangeurs de chaleur, un échangeur de chaleur de prérefroidissement E3 et un échangeur de chaleur final E5. L’hydrogène à liquéfier 250 se refroidit d’abord dans l’échangeur E3, ensuite dans un échangeur E6 et finalement dans l’échangeur E5 pour former l’hydrogène liquéfié 350. Un autre cycle fermé constitué par un deuxième fluide intermédiaire transfère des frigories du gaz naturel liquéfié vers l’échangeur de chaleur E3. Le gaz de cycle 39 est comprimé dans un compresseur C2 puis parcourt l’échangeur E1 du bout chaud au bout froid avant d’être divisé en deux. Une partie 41 du gaz 39 est détendue dans une turbine T1. Le reste 43 est envoyé au bout froid de l’échangeur E3 où il se condense partiellement, puis est envoyé à un séparateur de phases 37. Le gaz du séparateur mélangé au débit turbiné 41 devient le gaz 39 qui se réchauffe dans l’échangeur E3 en le parcourant du bout froid jusqu’au bout chaud. Le liquide 35 du séparateur est vaporisé dans un échangeur E6 et rejoint le séparateur 37. Le débit molaire D du deuxième fluide intermédiaire 39 et le débit molaire D1 de la fraction 3 du premier fluide intermédiaire échangeant de la chaleur avec le premier débit de gaz naturel liquéfié sont choisis de sorte que 0,9D Le premier et/ou le deuxième fluide intermédiaire 9, 39 contient au moins 50% mol d’azote, voire au moins 90% mol d’azote, ou même 99% mol d’azote. Le premier et/ou le deuxième fluide intermédiaire 9, 39 reste à l’état gazeux pendant tout refroidissement du procédé. illustre le procédé global dans lequel le procédé de est intégré. Dans ce procédé, du gaz naturel liquéfié LNG est vaporisé dans un appareil de vaporisation 100 pour produire du gaz naturel NG. Le gaz naturel alimente un réacteur 200 de type SMR, ATR ou POX éventuellement alimenté également par de l’oxygène 150 provenant d’un appareil de séparation d’air ASU. Le réacteur 200 produit de l’hydrogène gazeux 250 qui est liquéfié dans un liquéfacteur d’hydrogène 300 pour produire de l’hydrogène liquide 350. Le réacteur 200 produit également un gaz 370 pouvant être un gaz de synthèse ou un gaz de combustion (« flue gas »). Comme illustré dans la les liquéfacteurs 300 et 500 sont intégrés avec l’appareil de vaporisation 100, de sorte qu’au moins une partie des frigories, nécessaires pour le refroidissement, voire la liquéfaction de dioxyde de carbone dans le liquéfacteur 500 et pour le refroidissement, voire la liquéfaction d’hydrogène dans le liquéfacteur 300 sont fournies par la vaporisation de LNG dans l’appareil 100. Par exemple au moins 50% ou au moins 75% ou au moins 99% des frigories nécessaires pour le refroidissement, voire la liquéfaction de dioxyde de carbone 450 dans le liquéfacteur 500 sont fournies par la vaporisation de LNG dans l’appareil 100. En alternatif ou en addition, au moins 50% ou au moins 75% ou au moins 99% des frigories nécessaires pour le refroidissement, par exemple le refroidissement jusqu’à 80K, voire la liquéfaction d’hydrogène 250 dans le liquéfacteur 300 sont fournies par la vaporisation de LNG dans l’appareil 100. Procédé de refroidissement, voire de condensation au moins partielle, de dioxyde de carbone gazeux et de refroidissement, voire de liquéfaction au moins partielle, d’hydrogène gazeux comprenant Une étape de compression (C1) d’un premier débit intermédiaire et (7,9,11) une étape de compression (C2) d’un deuxième débit intermédiaire (39, 41, 43), Une étape d’échange de chaleur indirect, de préférence dans un premier échangeur de chaleur (E1), entre un premier débit de gaz naturel liquéfié (3) ou avec un débit de gaz naturel à une température inférieure à -50°C et au moins le premier et le deuxième débits intermédiaires comprimés dans l’étape i) pour refroidir le premier débit intermédiaire jusqu’à une température T1 entre -30°C et -100°C, voire entre -30°C et -80°C de préférence entre -25°C et -60°C et pour refroidir le deuxième débit intermédiaire jusqu’à une température inférieure à T1, de préférence entre -130°C et -150°C et pour former un premier débit gaz liquéfié réchauffé voire vaporisé (45) ou un débit de gaz naturel réchauffé, Une étape d’envoyer le premier débit intermédiaire refroidi (11) jusqu’à une température entre -30°C et -100°C à un deuxième échangeur de chaleur indirecte (E2) où il refroidit un débit riche en dioxyde de carbone (15) qui de préférence se condense au moins partiellement, Une étape d’envoyer le deuxième débit intermédiaire (43) refroidi jusqu’à entre -130°C et -150°C à un troisième échangeur de chaleur indirecte (E3) où il refroidit un débit d’hydrogène (250) et éventuellement un fluide de cycle (27), et Une étape de refroidissement, voire de liquéfaction au moins partielle du débit d’hydrogène refroidi dans l’étape iv). Procédé selon la revendication 1 dans lequel le deuxième débit intermédiaire (41) est détendu, par exemple dans une turbine (T1) ou une vanne Joule Thomson, avant d’être envoyé au troisième échangeur de chaleur (E3). Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le premier débit intermédiaire (9) circule dans un circuit fermé comprenant un premier compresseur (C1) et traversant le premier échangeur de chaleur (E1) et/ou le deuxième débit intermédiaire circule dans un circuit fermé comprenant un deuxième compresseur (C2) et traversant le premier échangeur de chaleur (E1). Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel un débit de gaz naturel liquéfie (1) est divisé en deux pour former le premier débit de gaz naturel liquéfie (3) et un deuxième débit de gaz naturel liquéfié (5), le deuxième débit de gaz naturel liquéfié se réchauffant dans un quatrième échangeur de chaleur indirect (E4) avec une partie (7) du premier débit intermédiaire (11). Procédé selon la revendication 4 dans lequel le quatrième échangeur de chaleur (E4) est un échangeur de type à calandre et à tubes ou bobiné. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le premier échangeur de chaleur (E1) est un échangeur à plaques et à ailettes. Procédé selon la revendication 6 dans lequel l’écart maximal de températures du premier échangeur de chaleur (E1) est de 25°C, voire de 20°C ou même de 15°C. Procédé selon l’une des revendications précédentes quand dépendant d’une des revendications 4 ou 5 dans lequel la différence de température entre le deuxième débit de gaz naturel liquéfié (7) et la partie (5) du premier fluide intermédiaire à l’extrémité la plus froide du quatrième échangeur de chaleur est supérieure à 30°C, voire supérieure à 50°C ou même supérieure à 80°C. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’étape de compression du premier débit intermédiaire (11) et/ou l’étape de compression du deuxième débit intermédiaire (39) est effectuée avec une température de début de compression égale ou inférieure à 28°C, voire inférieure à 0°C. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le premier et/ou le deuxième fluide intermédiaire (11, 39) contient au moins 50% mol d’azote, voire au moins 90% mol d’azote, ou même 99% mol d’azote. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le premier et/ou le deuxième fluide intermédiaire (7,9,11, 39) reste à l’état gazeux pendant tout refroidissement du procédé. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le débit molaire D du deuxième fluide intermédiaire (39) et le débit molaire D1 de la fraction du premier fluide intermédiaire (11) échangeant de la chaleur avec le premier débit de gaz naturel liquéfié (3) ou de gaz naturel sont choisis de sorte que 0,9D Appareil de refroidissement, voire de condensation au moins partielle, de dioxyde de carbone gazeux (15) et de refroidissement, voire de liquéfaction au moins partielle, d’hydrogène gazeux (250) comprenant un compresseur (C1) d’un premier débit intermédiaire, un compresseur (C2) d’un deuxième débit intermédiaire, un premier échangeur de chaleur (E1) relié aux compresseurs des premier et deuxième débits intermédiaire, un deuxième échangeur de chaleur indirecte (E2), un troisième échangeur de chaleur indirecte (E3) et une conduite d’amenée d’un premier débit de gaz naturel liquéfié (3) ou d’un débit de gaz naturel à une température inférieure à -50°C afin d’échanger de la chaleur pour refroidir au moins le premier et le deuxième débits intermédiaires jusqu’à une température T1 entre -30°C et -100°C, voire entre -30°C et -80°C, de préférence entre -25°C et -60°C pour le premier débit intermédiaire et pour refroidir jusqu’à une température inférieure à T1, de préférence entre -130°C et -150°C pour le deuxième débit intermédiaire, une conduite pour envoyer le premier débit intermédiaire refroidi jusqu’à une température entre -30°C et -100°C au deuxième échangeur de chaleur indirecte relié à une conduite d’amenée d’un débit riche en dioxyde de carbone pour que le premier débit intermédiaire refroidisse le débit riche en dioxyde de carbone qui de préférence se condense au moins partiellement, une conduite pour envoyer le deuxième débit intermédiaire refroidi jusqu’à entre -130°C et -150°C au troisième échangeur de chaleur indirecte reliée à une conduite d’amenée d’un débit d’hydrogène pour que le deuxième débit intermédiaire refroidisse le débit d’hydrogène et éventuellement un fluide de cycle et des moyens (E6, E5) pour refroidir, voir liquéfier au moins partiellement le débit d’hydrogène refroidi dans le troisième échangeur de chaleur indirecte. Procédé de conversion de gaz naturel liquéfié en hydrogène dans lequel un débit de gaz naturel est envoyé alimenter une unité de génération d’hydrogène gazeux (200) ainsi que d’un débit contenant du dioxyde de carbone, dans lequel l’hydrogène gazeux (250) est liquéfié au moins partiellement et du dioxyde de carbone (450) dérivé du débit contenant du dioxyde de carbone est au moins partiellement condensé selon le procédé des revendications précédentes 1 à 12, du gaz naturel réchauffé ou vaporisé (45, NG) selon le procédé formant au moins partie du débit de gaz naturel envoyé à l’unité de génération d’hydrogène.