Brevet FR3127556A1 — publié le 20230331

Titre : Procédé et appareil de séparation à basse température d’un gaz contenant du CO2 pour produire un fluide riche en CO2 Dans un procédé de séparation à basse température d’un gaz contenant du CO2 pour produire un fluide riche en CO2, un gaz contenant du CO2 et au moins un composant plus léger que le CO2 est comprimé dans un compresseur (C1, C2, C3, C4) comprenant au moins deux étages, le gaz étant refroidi en aval d’au moins un des étages dans un refroidisseur (R4) et ensuite refroidi dans un premier échangeur de chaleur (E), le gaz refroidi dans le premier échangeur de chaleur est séparé à basse température par condensation partielle et/ou distillation pour produire un fluide riche en CO2 et appauvri en le composant plus léger que le CO2 (9) et un gaz (3) appauvri en CO2 et enrichi en le composant plus léger que le CO2, le gaz appauvri en CO2 se réchauffe d’abord dans le premier échangeur de chaleur et ensuite dans le refroidisseur avant d’être détendu dans une turbine (T). Figure de l’abrégé : Figure 1 Procédé et appareil de séparation à basse température d’un gaz contenant du CO2 pour produire un fluide riche en CO2 La présente invention est relative à un procédé et appareil de séparation à basse température d’un gaz contenant du CO2 pour produire un fluide riche en CO2. Le mélange à séparer contient du CO2 et au moins un composant plus léger que le CO2, tel que du monoxyde de carbone, de l’hydrogène, de l’azote, de l’oxygène, du méthane… En particulier le procédé peut traiter un gaz issu d’une combustion, par exemple un procédé d’oxycombustion, pour former un produit riche en CO2, par exemple contenant au moins 80% mol de CO2, voire au moins 90% mol de CO2. Un gaz contenant du CO2, par exemple un gaz résiduaire d’un PSA H2 ou d’un PSA CO2. Une séparation à basse température opère à des températures inférieures à 0°C, voire inférieures à -40°C. Selon l’invention, il est prévu un procédé de séparation à basse température d’un gaz contenant du CO2 pour produire un fluide riche en CO2 dans lequel un gaz contenant du CO2 et au moins un composant plus léger que le CO2 est comprimé dans un compresseur comprenant au moins deux étages, le gaz étant refroidi en aval d’au moins un des étages dans un refroidisseur et ensuite refroidi dans un premier échangeur de chaleur, le gaz refroidi dans le premier échangeur de chaleur est séparé à basse température par condensation partielle et/ou distillation pour produire un fluide riche en CO2 et appauvri en le composant plus léger que le CO2 et un gaz appauvri en CO2 et enrichi en le composant plus léger que le CO2, le gaz appauvri en CO2 se réchauffe d’abord dans le premier échangeur de chaleur et ensuite dans le refroidisseur avant d’être détendu dans une turbine. Selon d’autres aspects facultatifs : -le fluide riche en CO2 est un liquide et au moins une partie du fluide riche en CO2 se vaporise dans le premier échangeur de chaleur. -le fluide riche en CO2 vaporisé est comprimé dans un compresseur entraîné par la turbine. -le refroidisseur refroidit le gaz comprimé dans un dernier des étages du compresseur. -après refroidissement dans le refroidisseur et avant refroidissement dans le premier échangeur de chaleur le gaz est refroidi par échange de chaleur avec un fluide de refroidissement, par exemple de l’eau à température ambiante. -le gaz appauvri en CO2 rentre dans le premier échangeur de chaleur à une température supérieure à la température ambiante, par exemple supérieure à 30°C. -le refroidisseur refroidit le gaz comprimé entre deux étages du compresseur. -le gaz à séparer est séparé par condensation partielle pour produire le gaz appauvri en CO2 ainsi qu’un liquide, le liquide est séparé par distillation dans une colonne de distillation pour produire le fluide riche en CO2, qui est de préférence un liquide riche en CO2. -au moins une partie du froid est fournie par un cycle fermé de réfrigération comprenant au moins un compresseur de cycle entraîné par la turbine. - le fluide riche en CO2 est un gaz qui se réchauffe dans le premier échangeur de chaleur avant d’être comprimé. Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un appareil de séparation à basse température d’un gaz contenant du CO2 pour produire un fluide riche en CO2 comprenant un compresseur comprenant au moins deux étages, un premier échangeur de chaleur, un refroidisseur, un système de distillation comprenant au moins un séparateur de phases et/ou au moins une colonne de distillation, une turbine, des moyens pour envoyer un gaz contenant du CO2 et au moins un composant plus léger que le CO2 être comprimé dans le compresseur , des moyens pour envoyer gaz comprimé se refroidir en aval d’au moins un des étages dans le refroidisseur, des moyens pour envoyer le gaz comprimé et refroidi se refroidir dans le premier échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer le gaz refroidi dans le premier échangeur de chaleur se séparer par condensation partielle et/ou distillation pour produire un fluide riche en CO2 et appauvri en le composant plus léger que le CO2 et un gaz appauvri en CO2 et enrichi en le composant plus léger que le CO2, des moyens pour envoyer le gaz appauvri en CO2 se réchauffer d’abord dans le premier échangeur de chaleur et ensuite dans le refroidisseur et des moyens pour envoyer le gaz appauvri en CO2 réchauffé dans le refroidisseur se détendre dans la turbine. L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures : représente schématiquement un procédé selon l’invention. représente schématiquement un procédé selon l’invention. représente schématiquement un procédé utilisant une seule colonne de distillation pour éliminer un composant plus léger que CO2 dans une première colonne. Un débit gazeux 1 est comprimé dans un compresseur à plusieurs étages, ici quatre étages C1, C2, C3, R4, ici avec un refroidisseur R1, R2, R3 entre chaque paire d’étages et deux refroidisseurs R4, R5 en aval du dernier étage. Ce débit1 peut par exemple être le résiduaire d’un PSA H2 ou CO2 et peut être comprimé jusqu’à au moins 35 bars abs dans les étages du compresseur C1 à C4. Les refroidisseurs R1 à R3 sont refroidis uniquement par de l’eau de refroidissement CW, tout comme le refroidisseur R5. Le débit gazeux 1 contient du CO2 et au moins un composant plus léger pouvant être de l’hydrogène, du monoxyde de carbone, de l’azote ou de l’oxygène. Dans cet exemple, le débit gazeux est riche en azote. De préférence le débit gazeux 1 contient moins qu’1% mol. de méthane. Le débit gazeux refroidi dans les deux refroidisseurs R4, R5 en aval du dernier étage est refroidi jusqu’à une température en dessous de -50°C dans un premier échangeur de chaleur E par échange de chaleur avec au moins un fluide issu de la séparation froide. Cet échangeur E peut être de type en aluminium brasé à plaques et à ailettes. Le débit gazeux 1 se condense partiellement dans le premier échangeur de chaleur E et le débit diphasique formé est séparé dans un séparateur de phase S formant un gaz 3 enrichi en l’au moins un composant plus léger, ici au moins l’azote. Ce gaz se réchauffe dans le premier échangeur E et ensuite se réchauffe dans le premier refroidisseur R4 suivant directement le dernier étage C4 du compresseur depuis une température de 30°C jusqu’à une température de 100°C, étant le seul fluide de refroidissement envoyé à ce premier refroidisseur R4. Ensuite le gaz refroidi dans le premier refroidisseur R4 se refroidit dans un deuxième refroidisseur R5 contre de l’eau de refroidissement CW à une température ambiante inférieure à 40°C, voire inférieure à 30°C. Alternativement le débit gazeux 3 enrichi en l’au moins un composant léger peut refroidir le gaz comprimé dans le deuxième refroidisseur R5, le premier étant refroidi par de l’eau. Alternativement ou en addition, le débit enrichi en l’au moins un composant léger peut refroidir le gaz comprimé dans un refroidisseur R1, R2, R3 entre deux étages du compresseur. Ainsi le gaz 3 à détendre dans une turbine T est préchauffé contre le gaz comprimé dans le compresseur C1 à C4, de sorte que la chaleur de compression permet de produire plus d’énergie dans la turbine. Le débit gazeux 3 enrichi en composant léger réchauffé dans le premier refroidisseur R4 se trouve à 8 bar et est détendu dans la turbine T depuis cette pression jusqu’à environ la pression atmosphérique. Le débit gazeux enrichi en composant léger 3 peut servir ensuite à régénérer des adsorbants pour sécher le gaz alimentant le PSA pour produire le débit 1. Le liquide 5 du séparateur de phases S est envoyé en tête d’une colonne de distillation C dont un liquide 9 enrichi en CO2 et appauvri en l’au moins composant léger est soutiré en cuve. Ce liquide peut former au moins une partie du produit du procédé. Au moins une partie du liquide est pressurisée par une pompe P et peut être envoyée se vaporiser dans le premier échangeur de chaleur E, une partie 11 du liquide vaporisé étant éventuellement envoyée en cuve de la colonne C comme rebouillage. Au moins une partie 13 du liquide vaporisé peut être comprimée dans un compresseur de produit C5 entrainé par la turbine T pour produire un gaz riche en CO2. Le gaz est ensuite comprimé par d’autres étages de compression C6, C7, avec un refroidisseur à l’eau CW entre chaque paire d’étages (R6 entre C5 et C6) et un dernier refroidisseur en aval de l’étage C7. Le gaz comprimé dans C7 constitue le produit gazeux riche en CO2 dans cet exemple. Le gaz de tête 7 de la colonne C se réchauffe dans le premier échangeur E. L’échangeur E, le séparateur de phase S et la colonne C sont à l’intérieur d’une enceinte CB isolée thermiquement. Deux moyens de production de froid sont utilisés : Un cycle fermé dans lequel du CO2 est comprimé dans un compresseur de cycle CC et renvoyé au premier échangeur de chaleur où il est refroidi, liquéfié, séparé et détendu dans deux vannes différentes pour former deux débits à 5.5 and 9.5 bar abs. Ces deux débits sont réchauffés dans le premier échangeur de chaleur E pour fournir du froid puis sont renvoyés au compresseur de cycle CC. Vaporisation du liquide 9 dans l’échangeur E. Evidemment le système peut comprendre plusieurs séparateurs de phase, en série et/ou en parallèle et en amont de la distillation ainsi qu’au moins une colonne de distillation. Si le système ne comprend pas de séparateur de colonne, le gaz détendu dans la turbine sera pris en haut de la colonne de distillation. représente schématiquement un procédé utilisant deux colonnes pour éliminer un composant plus léger que CO2 dans une première colonne et un composant plus lourd que le CO2 dans une deuxième colonne. Un débit gazeux 1 est comprimé dans un compresseur à plusieurs étages, ici quatre étages C1, C2, C3, C4, ici avec un refroidisseur R1, R2, R3 entre chaque paire d’étages et deux refroidisseurs R4, R5 en aval du dernier étage. Ce débit 1 peut par exemple être le résiduaire d’un PSA H2 ou CO2 et peut être comprimé jusqu’à au moins 35 bars abs dans les étages du compresseur C1 à C4. Les refroidisseurs R1 à R3 sont refroidis uniquement par de l’eau de refroidissement CW, tout comme le refroidisseur R5. Le débit gazeux 1 contient du CO2 et au moins un composant plus léger pouvant être de l’hydrogène, du monoxyde de carbone, de l’azote ou de l’oxygène. Dans cet exemple, le débit gazeux est riche en azote. De préférence le débit gazeux 1 contient moins qu’1% mol. de méthane. Le débit gazeux refroidi dans les deux refroidisseurs R4, R5 en aval du dernier étage est refroidi jusqu’à une température en dessous de -50°C dans un premier échangeur de chaleur E par échange de chaleur avec au moins un fluide issu de la séparation froide. Cet échangeur E peut être de type en aluminium brasé à plaques et à ailettes. Le débit gazeux 1 se condense partiellement dans le premier échangeur de chaleur E et le débit diphasique formé est séparé dans un séparateur de phase S formant un gaz 3 enrichi en l’au moins un composant plus léger, ici au moins l’azote. Ce gaz se réchauffe dans le premier échangeur E et ensuite se réchauffe dans le premier refroidisseur R4 suivant directement le dernier étage C4 du compresseur depuis une température de 30°C jusqu’à une température de 100°C, étant le seul fluide de refroidissement envoyé à ce premier refroidisseur R4. Ensuite le gaz refroidi dans le premier refroidisseur R4 se refroidit dans un deuxième refroidisseur R5 contre de l’eau de refroidissement CW à une température ambiante inférieure à 40°C, voire inférieure à 30°C. Alternativement le débit gazeux 3 enrichi en l’au moins un composant léger peut refroidir le gaz comprimé dans le deuxième refroidisseur R5, le premier étant refroidi par de l’eau. Alternativement ou en addition, le débit enrichi en l’au moins un composant léger peut refroidir le gaz comprimé dans un refroidisseur R1, R2, R3 entre deux étages du compresseur. Ainsi le gaz 3 à détendre dans une turbine T est préchauffé contre le gaz comprimé dans le compresseur C1 à C4, de sorte que la chaleur de compression permet de produire plus d’énergie dans la turbine. Le débit gazeux 3 enrichi en composant léger réchauffé dans le premier refroidisseur R4 se trouve à 8 bar et est détendu dans la turbine T depuis cette pression jusqu’à environ la pression atmosphérique. Le débit gazeux enrichi en composant léger 3 peut servir ensuite à régénérer des adsorbants pour sécher le gaz alimentant le PSA pour produire le débit 1. En addition ou alternativement le débit détendu 3 peut alimenter l’unité PSA pour récupérer le CO2 qu’il contient. Le liquide 5 du séparateur de phases S est envoyé en tête d’une colonne de distillation C dont un liquide 9 enrichi en CO2 et appauvri en l’au moins composant léger est soutiré en cuve. Au moins une partie du liquide est pressurisée par une pompe P et peut être envoyée se vaporiser dans le premier échangeur de chaleur E, une partie 11 du liquide vaporisé étant éventuellement envoyée en cuve de la colonne C comme rebouillage et l’autre partie 19 étant envoyée alimenter la colonne N en cuve. Le gaz de tête 7 de la colonne C se réchauffe dans le premier échangeur E. La colonne N est une colonne d’élimination de NOx plus lourds que le CO2, le NOx étant une dénomination couvrant les composés suivants : le monoxyde d'azote (NO), le dioxyde d'azote (NO2), le protoxyde d'azote (N2O), le tétraoxyde de diazote (N2O4), le trioxyde d'azote (N2O3). Le NO étant plus léger que le CO2, la colonne N sert à éliminer le dioxyde d'azote (NO2), le protoxyde d'azote (N2O), le tétraoxyde de diazote (N2O4), le trioxyde d'azote (N2O3), si présents dans le liquide. Dans cette colonne alimentée par le débit 19, au moins une impureté plus lourde que le CO2 sont lavées par un reflux intermédiaire de CO2 15 et un reflux de tête 23 de CO2 pur pour produire en cuve un liquide enrichi en l’au moins une impureté plus lourde 25, telle que les NOX, par exemple le NO2. Le liquide enrichi en l’au moins impureté plus lourde 25 se vaporise dans le premier échangeur E. Le gaz de tête 21 de la colonne N constitue le produit épuré en l’au moins une impureté plus lourde et se réchauffe dans le premier échangeur E avant d’être comprimé dans un premier étage de compression C5 entraîné par la turbine T. Après refroidissement en R6, le débit est divisé, une partie 23 étant condensé dans le premier échangeur E et le reste 27 étant comprimé dans les étages de compression C6, C7 pour former un produit gazeux sous pression. Le gaz comprimé dans C7 constitue le produit gazeux riche en CO2 dans cet exemple. La partie 23 est renvoyée en tête de la colonne N comme reflux. L’échangeur E, le séparateur de phase S et la colonne C sont à l’intérieur d’une enceinte CB isolée thermiquement. Deux moyens de production de froid sont utilisés : Un cycle fermé dans lequel du CO2 est comprimé dans un compresseur de cycle CC et renvoyé au premier échangeur de chaleur où il est refroidi, liquéfié, séparé et détendu dans deux vannes différentes pour former deux débits à 5.5 and 9.5 bar abs. Ces deux débits sont réchauffés dans le premier échangeur de chaleur E pour fournir du froid puis sont renvoyés au compresseur de cycle CC. Vaporisation du liquide 9 dans l’échangeur E. Evidemment le système peut comprendre plusieurs séparateurs de phase, en série et/ou en parallèle et en amont de la distillation ainsi qu’au moins une colonne de distillation. Si le système ne comprend pas de séparateur de colonne, le gaz détendu dans la turbine sera pris en haut de la colonne de distillation. De préférence, au moins un des compresseurs de cycle CC et au moins un compresseur de produit C6, C7, sont intégrés dans une seule machine de compression. La turbine peut entraîner au moins un compresseur de cycle de réfrigération, par exemple CC et/ou au moins un autre compresseur de produit C6, C7 en plus de ou à la place du compresseur C5. Procédé de séparation à basse température d’un gaz contenant du CO2 pour produire un fluide riche en CO2 dans lequel un gaz contenant du CO2 et au moins un composant plus léger que le CO2 est comprimé dans un compresseur (C1, C2, C3, C4) comprenant au moins deux étages, le gaz étant refroidi en aval d’au moins un des étages dans un refroidisseur (R4) et ensuite refroidi dans un premier échangeur de chaleur (E), le gaz refroidi dans le premier échangeur de chaleur est séparé à basse température par condensation partielle et/ou distillation pour produire un fluide riche en CO2 et appauvri en le composant plus léger que le CO2 (9, 21) et un gaz (3) appauvri en CO2 et enrichi en le composant plus léger que le CO2, le gaz appauvri en CO2 se réchauffe d’abord dans le premier échangeur de chaleur et ensuite dans le refroidisseur avant d’être détendu dans une turbine (T). Procédé selon la revendication 1 dans lequel le fluide riche en CO2 est un liquide (9) et au moins une partie du fluide riche en CO2 se vaporise dans le premier échangeur de chaleur (E). Procédé selon la revendication 2 dans lequel le fluide riche en CO2 vaporisé est comprimé dans un compresseur (C5) entraîné par la turbine (T). Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel le refroidisseur (R4) refroidit le gaz comprimé dans un dernier (C4) des étages du compresseur. Procédé selon la revendication 4 dans lequel après refroidissement dans le refroidisseur (R4) et avant refroidissement dans le premier échangeur de chaleur (E) le gaz est refroidi par échange de chaleur avec un fluide de refroidissement, par exemple de l’eau (CW) à température ambiante. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le gaz appauvri en CO2 rentre dans le premier échangeur de chaleur (E) à une température supérieure à la température ambiante, par exemple supérieure à 30°C. Procédé selon l’une des revendications précédentes 1 à 3 ou 6 dans lequel le refroidisseur (R1, R2, R3) refroidit le gaz comprimé entre deux étages du compresseur. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le gaz à séparer est séparé par condensation partielle (S) pour produire le gaz appauvri en CO2 (3) ainsi qu’un liquide (5), le liquide est séparé par distillation dans une colonne de distillation pour produire le fluide riche en CO2 (9,21), qui est de préférence un liquide riche en CO2 (9). Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie du froid est fournie par un cycle fermé de réfrigération comprenant au moins un compresseur de cycle entraîné par la turbine (T). Procédé selon l’une des revendications 1 ou 4 à 9 dans lequel le fluide riche en CO2 est un gaz (21) qui se réchauffe dans le premier échangeur de chaleur (E) avant d’être comprimé.