Brevet FR3153543A1 — publié le 20250404

Titre : Procédé et appareil de séparation d’un gaz comprenant du CO2, de l’azote et au moins un composé toxique et/ou inflammable Dans un procédé de séparation d’un gaz (1) comprenant du CO2, de l’azote et au moins un composé toxique et/ou inflammable, on comprime le gaz ayant un débit dans un compresseur (3) dont le gaz de barrage (4) est de l’azote, le taux de fuite du gaz de barrage vers le gaz étant inférieur à 0,5% mol du débit du gaz, produisant un gaz comprimé, le gaz comprimé est refroidi (R) jusqu’à une température inférieure à - 20°C puis séparé (15) par condensation partielle et/ou distillation et/ou lavage et/ou solidification produisant un fluide enrichi en CO2 et appauvri en N2 (13) , et un fluide appauvri en CO2 et enrichi en N2 (11). Figure : Fig. 1 Procédé et appareil de séparation d’un gaz comprenant du CO2, de l’azote et au moins un composé toxique et/ou inflammable La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d’un gaz comprenant du CO2, de l’azote et au moins un composé toxique et/ou inflammable, ce procédé comprenant une étape de compression du gaz en amont de la séparation. Lors de la compression de gaz contenant au moins un composé hautement toxique et/ou inflammable, ce gaz étant appelé gaz procédé, il est typique d’employer des étanchéités minimisant les fuites du gaz procédé vers le gaz de barrage. De plus, on évite habituellement de faire fuir le gaz de barrage vers le gaz procédé afin d’éviter la pollution du gaz procédé. Pour les applications de capture de CO2 à partir d’un gaz contenant du CO2 et de l’azote, il peut être judicieux de procéder d’une autre manière du fait des différences de composition des gaz comprimés et de l’intérêt de maximiser la quantité de CO2 récupéré. L’azote est communément utilisé comme gaz de barrage dans les compresseurs. Afin d’éviter les fuites de gaz procédé vers le gaz de barrage, des systèmes très étanches sont communément utilisés et pour les étages dont la pression est supérieure à celle de l’azote, le barrage est souvent réalisé par le gaz procédé lui-même qui est recyclé dans une première chambre et une seconde chambre est utilisée où l’azote est injecté. Dans ce cas, la fuite vers l’azote est limitée, et l’azote ne fuit pas vers le procédé car à plus basse pression que celle du procédé. Pour les étages dont la pression est inférieure à celle de l’azote, on détendra typiquement l’azote pour limiter la différence de pression et/ou on générera des pertes de charge (par le biais de labyrinthes par exemple) afin de réduire la pression de l’azote donc de limiter les fuites. Les systèmes à haute étanchéité sont bien plus coûteux et souvent plus fragiles que les autres systèmes et dans la configuration utilisée, le gaz procédé contenant les impuretés dangereuses et le CO2 fuit vers le gaz de barrage. Ces impuretés dangereuses ont un coût, a minima celui de leur valeur calorifique quand ils sont brûlés (par exemple CO ou H2). Ces composés peuvent même être des produits du procédé, ayant donc une valeur commerciale. Minimiser ces fuites permet donc de limiter la consommation de combustible lorsqu’ils sont brûlés ou de maximiser la production de l’unité. L’invention consiste principalement à laisser volontairement l’azote de barrage contaminer le gaz procédé, et de séparer en aval cet azote qui est introduit dans le procédé. Notamment, cela est possible en maintenant une pression d’azote dans les chambres de barrage du compresseur toujours supérieure à celle du gaz procédé dans l’étage de compression (=premiers étages d’une machine) ou dans une chambre intermédiaire entre l’étage de compression et l’azote (=étage à plus haute pression de la machine), le gaz de fuite de cette chambre intermédiaire étant ensuite recyclée vers un étage à plus basse pression du compresseur. Un objectif est de faire fuir le gaz de barrage vers le gaz à comprimer. Un autre objectif est d’enlever le gaz de barrage dans le CO2 produit sans utiliser de système d’épuration dédié. Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation d’un gaz comprenant du CO2, de l’azote et au moins un composé toxique et/ou inflammable dans lequel i) on comprime le gaz ayant un débit dans un compresseur dont le gaz de barrage est de l’azote, le taux de fuite du gaz de barrage vers le gaz étant inférieur à 0,5% mol du débit du gaz mais non nul, produisant un gaz comprimé ii) le gaz comprimé est refroidi jusqu’à à une température inférieure à - 20°C, préférentiellement inférieure à -45°C, puis séparé par condensation partielle et/ou distillation et/ou lavage et/ou solidification produisant au moins deux fluides dont un fluide enrichi en CO2 et appauvri en N2, et un fluide appauvri en CO2 et enrichi en N2. Selon d’autres aspects optionnels de l’invention, qui peuvent être combinés entre eux de toute manière compatible avec la logique et la science : -le gaz comprenant du CO2, de l’azote et au moins un composé toxique et/ou inflammable ne fuit pas vers l’azote de barrage. l’au moins un composé toxique et/ou inflammable est du monoxyde de carbone, de l’hydrogène, du méthane, du mercure ou un NOx. -le gaz comprenant du CO2, de l’azote et au moins un composé toxique et/ou inflammable est un gaz de synthèse issu d’une réaction de reformage d’un hydrocarbure, préférentiellement du gaz naturel. -la pression d’aspiration du compresseur est inférieure à 6 bar abs, préférentiellement inférieure à 2 bar abs. -la pression de refoulement du compresseur est supérieure à 20 bar abs, préférentiellement supérieure à 30 bar abs. -la pression du gaz de barrage (donc de l’azote) est inférieure à 10 bar, préférentiellement inférieure à 8 bar. -le taux de fuite de l’azote est inférieur à 0.3% du débit comprimé, préférentiellement inférieur à 0.1%. -le fluide enrichi en CO2 et appauvri en N2 contient moins de 0.5% mol d’azote, préférentiellement moins de 0.1% mol d’azote. -le gaz contient un NOx et le gaz comprimé est séparé dans une colonne pour produire un liquide enrichi en NOx et appauvri en CO2 et en azote et un gaz enrichi en azote et en CO2 et appauvri en NOx, le gaz enrichi en azote et en CO2 et appauvri en NOx est séparé pour former le fluide enrichi en CO2 et appauvri en N2 et le fluide appauvri en CO2 et enrichi en N2. -au moins 50% des fuites d’azote se retrouvent dans le fluide appauvri en CO2 et enrichi en N2. -le fluide appauvri en CO2 et enrichi en N2 sert de gaz de barrage. - la pression d’azote servant de gaz de barrage est supérieure à celle d’une chambre intermédiaire entre un premier étage de compression du compresseur et l’arrivée d’azote, l’azote est injecté dans la chambre et un gaz de fuite de la chambre étant ensuite recyclé vers un deuxième étage de compression du compresseur en amont du premier étage - l’au moins un composé toxique et/ou inflammable se trouve au moins en partie dans le fluide enrichi en CO2 et appauvri en N2, ou le fluide appauvri en CO2 et enrichi en N2 -l’au moins un composé toxique et/ou inflammable se trouve au moins en partie dans ou constitue un autre fluide ou solide produit par au moins une étape de condensation partielle et/ou au moins une étape de distillation et/ou au moins une étape de lavage et/ou au moins une étape de solidification du gaz comprimé - le gaz à comprimer contient à base sèche au moins 10% mol de dioxyde de carbone, au moins 20% mol de dioxyde de carbone, au moins 30% mol de dioxyde de carbone. - le gaz à comprimer ne contient pas d’eau et contient au moins 10% mol de dioxyde de carbone, au moins 20% mol de dioxyde de carbone, au moins 30% mol de dioxyde de carbone. - le gaz à comprimer contient à base sèche au moins 2% d’azote, au moins 5% d’azote, au moins 10% d’azote, voire au moins 20% d’azote, ces pourcentages étant des pourcentages molaires. - le gaz à comprimer ne contient pas d’eau et contient au moins 2% d’azote, au moins 5% d’azote, au moins 10% d’azote, voire au moins 20% d’azote, ces pourcentages étant des pourcentages molaires. -le gaz comprimé et refroidi est séparé par au moins une étape de condensation partielle et/ou au moins une étape de distillation et/ou au moins une étape de lavage et/ou au moins une étape de solidification et éventuellement une étape de perméation et/ou d’adsorption pour produire le fluide enrichi en CO2 et appauvri en N2 et le fluide appauvri en CO2 et enrichi en N2. Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un appareil de séparation d’un gaz comprenant du CO2, de l’azote et au moins un composé toxique et/ou inflammable comprenant i) un compresseur, une conduite pour envoyer le gaz ayant un débit à l’aspiration du compresseur, des moyens pour envoyer un gaz de barrage vers le compresseur, le compresseur étant adapté pour permettre une fuite du gaz de barrage vers le gaz à comprimer , le taux de fuite du gaz de barrage vers le gaz étant inférieur à 0,5% mol du débit du gaz mais non nul, des moyens pour extraire le gaz comprimé du compresseur ii) un refroidisseur pour refroidir le gaz comprimé et des moyens pour séparer le gaz comprimé refroidi dans le refroidisseur par condensation partielle et/ou distillation et/ou lavage et/ou solidification produisant au moins deux fluides dont un fluide enrichi en CO2 et appauvri en N2, et un fluide appauvri en CO2 et enrichi en N2. Ainsi par exemple le compresseur est dimensionné pour permettre le gaz de barrage de fuir vers le gaz à comprimer ou le moyen d’étanchéité du compresseur est choisi pour être moins efficace. L’appareil peut comprendre des moyens pour traiter le fluide appauvri en CO2 et enrichi en N2 pour servir comme le gaz de barrage. L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant à la figure. FIG. 1 représente un procédé selon l’invention. Dans la FIG. 1 , un gaz humide 1 contenant du dioxyde de carbone et de l'azote et au moins un composé toxique et/ou inflammable, pouvant être un composé plus léger que l’azote, tel que du protoxyde d’azote, du monoxyde de carbone, du méthane, le cyanure d’hydrogène ou de l’hydrogène ou un composé plus lourd que le dioxyde de carbone, par exemple le NO 2 , le mercure, est comprimé dans un compresseur 3. Ce compresseur 3 comprend quatre étages 3A, 3B, 3C, 3D, chacun étant suivi par un moyen de refroidissement 5A, 5B, 5C, 5D. Le gaz 1 peut, par exemple, être un gaz de synthèse issu d’une réaction de reformage d’un hydrocarbure, préférentiellement du gaz naturel. Le gaz 1 peut contenir à base sèche au moins 2% d’azote, au moins 5% d’azote, au moins 10% d’azote, voire au moins 20% d’azote, ces pourcentages étant des pourcentages molaires. Le gaz 1 peut contenir à base sèche au moins 10% mol de dioxyde de carbone, au moins 20% mol de dioxyde de carbone, au moins 30% mol de dioxyde de carbone. La pression d’aspiration du compresseur 3 est inférieure à 6 bar abs, préférentiellement inférieure à 2 bar abs. La pression de refoulement du compresseur 3 est supérieure à 20 bar abs, préférentiellement supérieure à 30 bar abs. Un gaz de barrage 4 qui est de l’azote est envoyé à au moins un palier du compresseur 3 et des fuites d’azote de barrage constituant une quantité correspondant à moins 0,5% mol du débit de gaz 1 se trouvent dans le gaz comprimé 7. Le taux de fuites peut être inférieur à 0,3% mol, voire inférieur à 0,1% mol. Par contre, il est non nul. La pression de l’azote 4 est inférieure à 10 bar, préférentiellement inférieure à 8 bar. Ainsi l’azote 4 est de préférence injecté dans le compresseur là où la pression d’azote 4 est supérieure à celle de la chambre intermédiaire entre l’étage de compression 3B, 3C, 3D et l’arrivée d’azote, le gaz de fuite de cette chambre intermédiaire étant ensuite recyclé vers un étage à plus basse pression du compresseur 3A, 3B, 3C. Les détails de la chambre intermédiaire ne sont pas illustrés. Après refroidissement dans le moyen de refroidissement 5D, le gaz comprimé 1 est envoyé à un sécheur 9 (s’il contient de l’eau), refroidi par un refroidisseur R pour le condenser partiellement et envoyé à un séparateur de phases 15 pour produire un liquide enrichi en CO2 et appauvri en azote 13 et un gaz enrichi en azote et appauvri en CO2 11. Le gaz 11 peut éventuellement servir de gaz de barrage, s’il est suffisamment pur. Ici l’unité de séparation est réduite à sa plus simple expression mais il va de soi qu’il peut comprendre plusieurs étages de condensation partielle en parallèle ou en série et/ou au moins une étape de distillation et/ou au moins une étape de lavage et/ou au moins une étape de solidification. Selon sa volatilité, l’au moins un composé toxique et/ou inflammable peut se trouver au moins en partie dans le fluide enrichi en CO2 et appauvri en N2 ou dans le fluide appauvri en CO2 et enrichi en N2. L’au moins un composé toxique et/ou inflammable peut se trouver dans ou constituer un autre fluide ou solide produit par au moins une étape de condensation partielle et/ou au moins une étape de distillation et/ou au moins une étape de lavage et/ou au moins une étape de solidification du gaz comprimé. Il sera compris que le gaz 1 ne contient pas nécessairement de l’humidité auquel cas aucun séchage n’est nécessaire. Procédé de séparation d’un gaz (1) comprenant du CO2, de l’azote et au moins un composé toxique et/ou inflammable dans lequel i) on comprime le gaz ayant un débit dans un compresseur (3) dont le gaz de barrage (4) est de l’azote, le taux de fuite du gaz de barrage vers le gaz étant inférieur à 0,5% mol du débit du gaz mais non nul, produisant un gaz comprimé ii) le gaz comprimé est refroidi (R) jusqu’à une température inférieure à - 20°C, préférentiellement inférieure à -45°C, puis séparé (15) par condensation partielle et/ou distillation et/ou lavage et/ou solidification produisant au moins deux fluides dont un fluide enrichi en CO2 et appauvri en N2 (13) , et un fluide appauvri en CO2 et enrichi en N2 (11). Procédé selon la revendication 1 dans lequel le gaz comprenant du CO2, de l’azote et au moins un composé toxique et/ou inflammable (1) ne fuit pas vers l’azote de barrage (4). Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel l’au moins un composé toxique et/ou inflammable est du monoxyde de carbone, de l’hydrogène, du méthane, du mercure ou un NOx. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel le gaz comprenant du CO2, de l’azote et au moins un composé toxique et/ou inflammable (1) est un gaz de synthèse issu d’une réaction de reformage d’un hydrocarbure, préférentiellement du gaz naturel. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel la pression d’aspiration du compresseur (3) est inférieure à 6 bar abs, préférentiellement inférieure à 2 bar abs. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel la pression de refoulement du compresseur (3) est supérieure à 20 bar abs, préférentiellement supérieure à 30 bar abs. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel la pression de du gaz de barrage (4) est inférieure à 10 bar, préférentiellement inférieure à 8 bar. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel le taux de fuite de l’azote est inférieur à 0.3% du débit comprimé, préférentiellement inférieur à 0.1%. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel le fluide enrichi en CO2 et appauvri en N2 (13) contient moins de 0.5% mol d’azote, préférentiellement moins de 0.1% mol d’azote. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel le gaz (1) contient un NOx et le gaz comprimé est séparé dans une colonne pour produire un liquide enrichi en NOx et appauvri en CO2 et en azote et un gaz enrichi en azote et en CO2 et appauvri en NOx, le gaz enrichi en azote et en CO2 et appauvri en NOx est séparé pour former le fluide enrichi en CO2 et appauvri en N2 et le fluide appauvri en CO2 et enrichi en N2. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel au moins 50% des fuites d’azote (4) se retrouvent dans le fluide appauvri en CO2 et enrichi en N2 (11). Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel le fluide appauvri en CO2 et enrichi en N2 (11) sert de gaz de barrage. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel la pression d’azote servant de gaz de barrage est supérieure à celle d’une chambre intermédiaire entre un premier étage de compression du compresseur (3B, 3C, 3D) et l’arrivée d’azote (4), l’azote est injecté dans la chambre et un gaz de fuite de la chambre étant ensuite recyclé vers un deuxième étage de compression du compresseur (3A, 3B, 3C) en amont du premier étage. Appareil de séparation d’un gaz comprenant du CO2, de l’azote et au moins un composé toxique et/ou inflammable comprenant i) un compresseur (3), une conduite pour envoyer le gaz ayant un débit à l’aspiration du compresseur, des moyens pour envoyer un gaz de barrage (4) vers le compresseur, le compresseur étant adapté pour permettre une fuite du gaz de barrage vers le gaz à comprimer , le taux de fuite du gaz de barrage vers le gaz étant inférieur à 0,5% mol du débit du gaz mais non nul, des moyens pour extraire le gaz comprimé du compresseur ii) un refroidisseur (R) pour refroidir le gaz comprimé et des moyens (15) pour séparer le gaz comprimé refroidi dans le refroidisseur par condensation partielle et/ou distillation et/ou lavage et/ou solidification produisant au moins deux fluides dont un fluide enrichi en CO2 et appauvri en N2 (13) et un fluide appauvri en CO2 et enrichi en N2 (11).