Brevet FR3127701A1 — publié le 20230407

L’invention porte sur un procédé de séparation de tout ou partie de composés d’un biogaz à l’état liquide ou à l’état diphasique liquide/vapeur, contenant du méthane, du CO 2 et éventuellement un hydrocarbure ou un mélange d’hydrocarbures de la famille C 3 à C 7 , dans lequel le méthane est séparé des autres composés par distillation cryogénique en injectant dans une colonne de distillation le biogaz liquéfié à une température d’équilibre permettant l’obtention d’un mélange diphasique assurant la séparation des différents composés et un agent de liquéfaction à l’état liquide composé d’un hydrocarbure ou d’un mélange d’hydrocarbure(s) de la famille C 3 à C 7 , l’agent de liquéfaction étant injecté en tête de colonne, au-dessus du niveau d’entrée du biogaz, à une température inférieure ou égale à la température de désublimation du CO 2 à une pression donnée de la colonne et en quantité proportionnelle au débit de vapeur du CO 2 ascendant en tête de colonne. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 2 PROCÉDÉ DE SEPARATION DE TOUT OU PARTIE DES COMPOSES D’UN BIOGAZ A L’ETAT LIQUIDE OU A L’ETAT DIPHASIQUE DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION La présente invention concerne le domaine de la valorisation des biogaz, et se rapporte plus particulièrement à un procédé de séparation de tout ou partie des composés d’un biogaz à l’état liquide ou à l’état diphasique liquide/vapeur, le biogaz contenant du méthane, du dioxyde de carbone et éventuellement des hydrocarbures de la famille C 3 à C 7 permettant sa liquéfaction. Le procédé selon l’invention est destiné notamment, mais non exclusivement, à l’épuration du biogaz à l’état liquide ou à l’état diphasique liquide/vapeur aux fins de récupérer tout ou partie de ses composés, et en particulier le méthane pour être utilisé comme carburant pour les véhicules ou pour être injecté dans un réseau de gaz naturel ainsi que le dioxyde de carbone. ETAT DE LA TECHNIQUE Parmi les méthodes d’épuration du biogaz connues, les méthodes conventionnellement utilisées pour séparer le méthane du dioxyde de carbone sont la séparation membranaire, la PSA (Pressure Swing Adsorption – adsorption par variation de pression) et la distillation cryogénique. La séparation membranaire est basée sur l’utilisation de membranes réalisées dans des matériaux laissant passer le dioxyde de carbone et retenant le méthane. La PSA est basée sur l’adsorption du dioxyde de carbone dans les composants solides de la colonne d’adsorption à haute pression et une désorption à basse pression. La distillation cryogénique repose quant à elle sur des abaissements successifs de la température jusqu’à la production de dioxyde de carbone liquide et de biométhane liquéfié ou de désublimation du dioxyde de carbone qui produit du dioxyde de carbone liquide et du bio-méthane gazeux. Ces méthodes conventionnellement utilisées présentent cependant des inconvénients pour séparer un biogaz à l’état liquide ou à l’état diphasique. Soit elles ne permettent pas d’atteindre des taux de pureté du méthane récupéré satisfaisants, soit elles ne permettent pas de récupérer le dioxyde de carbone, soit elles s’avèrent inadaptées pour le traitement d’un biogaz liquéfié ou contenant des hydrocarbures, notamment le butane, utilisés pour liquéfier le biogaz. Ainsi la technique de la séparation membranaire n’est pas à privilégier lorsque le biogaz comporte des hydrocarbures, et en particulier du butane, ce dernier détériorant les membranes rapidement. La PSA ne permet pas d’atteindre quant à elle les taux de pureté souhaités. Par ailleurs, cette méthode nécessite l’apport d’une quantité importante de chaleur ce qui va à l’encontre de l’utilisation de froid préalablement dépensé pour liquéfier le biogaz. La technique de distillation cryogénique présente quant à elle l’inconvénient de produire des particules solides de dioxyde de carbone (cristaux de neige carbonique) qui peuvent créer des bouchons dans les échangeurs de chaleur et le garnissage dans la tête de colonne. L’invention vise à remédier à ces problèmes en proposant un procédé de séparation permettant de séparer les composés d’un biogaz à l’état liquide ou à l’état diphasique liquide/vapeur de manière à récupérer le méthane à un taux de pureté élevé ainsi que de récupérer le dioxyde de carbone en évitant les problème de colmatage et formation de neige carbonique. OBJET DE L’INVENTION A cet effet, et selon un premier aspect, l’invention propose un procédé de séparation de tout ou partie de composés d’un biogaz à l’état liquide ou à l’état diphasique liquide/vapeur, contenant du méthane, du dioxyde de carbone et éventuellement d’un hydrocarbure ou d’un mélange d’hydrocarbures de la famille C 3 à C 7 , le procédé étant remarquable en ce qu’une première séparation pour séparer le méthane des autres composés est réalisée par distillation cryogénique dans une première colonne de distillation comportant une tête de colonne portée à la température de condensation du méthane à une pression donnée, la première séparation étant réalisée en injectant dans la première colonne de distillation : en alimentation principale, le biogaz liquéfié à une température d’équilibre permettant l’obtention d’un mélange diphasique assurant la séparation des différents composés, en alimentation secondaire, un agent de liquéfaction à l’état liquide composé d’un ou d’un mélange d’hydrocarbure(s) de la famille C 3 à C 7 , l’agent de liquéfaction étant injecté en tête de la première colonne de distillation, au-dessus du niveau d’entrée du biogaz, à une température T1 inférieure ou égale à la température de désublimation du dioxyde de carbone à une pression donnée de la colonne de distillation et en quantité proportionnelle au débit de vapeur du dioxyde de carbone ascendant en tête de colonne. L’injection d’un agent de liquéfaction en tête de colonne au-dessus de l’entrée du biogaz à une température et quantité déterminées, à savoir à une température inférieure ou égale à la température à laquelle le dioxyde de carbone dé-sublimerait dans la colonne de distillation maintenue à une pression donnée d’une part et en quantité proportionnelle au débit de vapeur du dioxyde de carbone ascendant en tête de colonne d’autre part, permet ainsi de dissoudre les cristaux de neige carbonique qui se forment en tête de la colonne de distillation utilisée pour séparer le méthane des autres composés en assurant une séparation satisfaisante du méthane gazeux du mélange liquide composé du dioxyde de carbone et de l’agent de liquéfaction. Par température de désublimation, on désigne la température à laquelle la désublimation (passage de l’état gazeux à l’état solide) du dioxyde de carbone est provoquée. La température de désublimation peut être également désignée indifféremment de température de condensation solide, de cristallisation ou encore de sublimation inverse. Avantageusement, l’agent de liquéfaction est injecté au niveau du reflux de méthane. Avantageusement, l’agent de liquéfaction est injecté dans la première colonne de distillation à une température T1 de l’ordre de -100°C. Avantageusement, l’agent de liquéfaction est soumis à un refroidissement en deux étages sous pression avant son injection dans la tête de la première colonne de distillation pour atteindre la température T1. Avantageusement, la tête de la première colonne de distillation est mise en froid en tout ou partie par l’agent de liquéfaction. Avantageusement, le procédé comporte une étape de récupération du méthane à l’état gazeux à l’issue de la première séparation. Selon un mode de réalisation avantageux, il est procédé à une deuxième séparation des composés du mélange liquide récupéré à l’issue de la première séparation et composé du dioxyde de carbone, de l’agent de liquéfaction et des éventuels hydrocarbures. Cette deuxième séparation est réalisée par distillation cryogénique dans une deuxième colonne de distillation après détente du mélange liquide pour atteindre une température et une pression d’équilibre permettant la séparation du dioxyde de carbone sous forme de condensat en tête de colonne et l’agent de liquéfaction additionné des éventuels hydrocarbures en résidus sous forme liquide en bas de colonne. Avantageusement, la deuxième séparation est réalisée par mise en froid de la tête de la deuxième colonne à la température de condensation du dioxyde de carbone comprise entre -50 ° Celsius et -60° Celsius en fonction de la pression atteinte après la détente. Avantageusement, le procédé de séparation comporte une étape de récupération du dioxyde de carbone à l’état gazeux (condensat) à l’issue de la deuxième séparation. Avantageusement, le procédé comporte une étape de récupération de l’agent de liquéfaction additionné des éventuels hydrocarbures à l’issue de la deuxième séparation pour son réacheminement en tout ou partie vers la première colonne de distillation. Avantageusement, l’agent de liquéfaction est un hydrocarbure linéaire ou non linéaire du type alcène de la famille C 3 à C 7 ou un mélange d’hydrocarbures de la famille C 3 à C 7 . Avantageusement, l’agent de liquéfaction est un hydrocarbure ou un mélange d’hydrocarbures identique(s) ou de propriétés physico-chimiques équivalentes à l’éventuel hydrocarbure ou mélange d’hydrocarbures présent dans le biogaz. L’invention concerne également une installation permettant la séparation de tout ou partie d’un biogaz à l’état liquide ou à l’état diphasique liquide/vapeur, contenant du méthane, du dioxyde de carbone et éventuellement un hydrocarbure ou un mélange d’hydrocarbures, mettant en œuvre le procédé de séparation tel que décrit précédemment. L’avantage du procédé de séparation selon l’invention et de l’installation associée est de permettre d’obtenir des taux de pureté élevés des composés séparés du biogaz, soit de l’ordre de 99,9 % pour chacun des composés (méthane et dioxyde de carbone) et du même ordre pour l’agent de liquéfaction récupéré en sortie de la deuxième séparation. L’avantage du procédé de séparation selon l’invention et l’installation, dans le cas d’un biogaz non liquide ou bien à l’état diphasique, est d’empêcher la formation de neige carbonique en tête de colonne lors de la séparation du méthane des autres composés du biogaz. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence aux figures annexées et dans lesquelles : La représente une vue schématique d’un exemple de réalisation d’une installation pour la séparation de tout ou partie des composés d’un biogaz à l’état liquide ou dans un état diphasique liquide/vapeur mettant en œuvre un procédé de séparation selon l’invention ; La représente les principales étapes d’un procédé de séparation de tout ou partie des composés d’un biogaz à l’état liquide ou dans un état diphasique liquide/vapeur selon l’invention. Procédé de séparation de tout ou partie de composés d’un biogaz à l’état liquide ou à l’état diphasique liquide/vapeur, contenant du méthane, du dioxyde de carbone et éventuellement d’un hydrocarbure ou d’un mélange d’hydrocarbures de la famille C 3 à C 7 , caractérisé en ce qu’une première séparation pour séparer le méthane des autres composés est réalisée par distillation cryogénique dans une première colonne de distillation (10) comportant une tête de colonne portée à la température de condensation du méthane à une pression donnée, la première séparation étant réalisée en injectant dans la première colonne de distillation (10) : en alimentation principale, le biogaz liquéfié à une température d’équilibre permettant l’obtention d’un mélange diphasique assurant la séparation des différents composés, en alimentation secondaire, un agent de liquéfaction à l’état liquide composé d’un mélange d’hydrocarbure(s) de la famille C 3 à C 7 , l’agent de liquéfaction étant injecté en tête de la première colonne de distillation (10), au-dessus du niveau d’entrée du biogaz, à une température T1 inférieure ou égale à la température de désublimation du dioxyde de carbone à une pression donnée de la colonne de distillation et en quantité proportionnelle au débit de vapeur du dioxyde de carbone ascendant en tête de colonne. Procédé de séparation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’agent de liquéfaction est injecté au niveau du reflux de méthane. Procédé de séparation selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l’agent de liquéfaction est injecté dans la première colonne de distillation (10) à une température T1 de l’ordre de -100°C. Procédé de séparation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’agent de liquéfaction est soumis à un refroidissement en deux étages sous pression avant son injection dans la tête de la première colonne de distillation (10) pour atteindre la température T1. Procédé de séparation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tête de la première colonne de distillation (10) est mise en froid en tout ou partie par l’agent de liquéfaction. Procédé de séparation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de récupération du méthane à l’état gazeux à l’issue de la première séparation. Procédé de séparation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’une deuxième séparation des composés du mélange liquide récupéré à l’issue de la première séparation et composé du dioxyde de carbone, de l’agent de liquéfaction et des éventuels hydrocarbures est réalisée par distillation cryogénique dans une deuxième colonne de distillation (20) après détente du mélange liquide pour atteindre une température et une pression d’équilibre permettant la séparation du dioxyde de carbone sous forme de condensat en tête de colonne et l’agent de liquéfaction additionné des éventuels hydrocarbures en résidus sous forme liquide en bas de colonne. Procédé de séparation selon la revendication 7, caractérisé en ce que la deuxième séparation est réalisée par mise en froid de la tête de la deuxième colonne de distillation (20) à la température de condensation du dioxyde de carbone comprise entre -50 ° Celsius et -60° Celsius en fonction de la pression atteinte après la détente. Procédé de séparation selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de récupération du dioxyde de carbone à l’état gazeux à l’issue de la deuxième séparation. Procédé de séparation selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de récupération de l’agent de liquéfaction additionné des éventuels hydrocarbures à l’issue de la deuxième séparation pour son réacheminement en tout ou partie vers la première colonne de distillation (10). Procédé de séparation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’agent de liquéfaction est un hydrocarbure linéaire ou non linéaire du type alcène de la famille C 3 à C 7 ou un mélange d’hydrocarbures de la famille C 3 à C 7 . Procédé de séparation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’agent de liquéfaction est un hydrocarbure ou un mélange d’hydrocarbures identique(s) ou de propriétés physico-chimiques équivalentes à l’éventuel hydrocarbure ou mélange d’hydrocarbures présent dans le biogaz. Installation 1 permettant la séparation de tout ou partie d’un biogaz à l’état liquide ou à l’état diphasique liquide/vapeur, contenant du méthane, du dioxyde de carbone et éventuellement un hydrocarbure ou un mélange d’hydrocarbures, mettant en œuvre le procédé de séparation selon l'une quelconque des revendications précédentes, ladite installation comprenant une première colonne de distillation (10) destinée à séparer le méthane des autres composés par distillation cryogénique, ladite première colonne de distillation (10) comprenant : une alimentation principale pour l’injection du biogaz liquéfié à une température d’équilibre permettant l’obtention d’un mélange diphasique assurant la séparation des différents composés et une alimentation secondaire pour l’injection d’un agent de liquéfaction à l’état liquide composé d’un mélange d’hydrocarbure(s) de la famille C3 à C7, l’alimentation secondaire étant arrangée pour injecter l’agent de liquéfaction en tête de la première colonne de distillation (10), au-dessus du niveau d’entrée du biogaz.