EP3092453A2 - Procédé et appareil de liquéfaction d'un courant de co2 gazeux - Google Patents

Procédé et appareil de liquéfaction d'un courant de co2 gazeux

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EP3092453A2
EP3092453A2 EP15701557.9A EP15701557A EP3092453A2 EP 3092453 A2 EP3092453 A2 EP 3092453A2 EP 15701557 A EP15701557 A EP 15701557A EP 3092453 A2 EP3092453 A2 EP 3092453A2
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cooled
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Benoît DAVIDIAN
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Mathieu LECLERC
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

Un appareil de liquéfaction d'un débit gazeux contenant au moins 95% mol. de dioxyde de carbone comprend au moins un premier étage de compression (C3,C4) dans lequel le débit gazeux d'alimentation (1) est comprimé, des moyens de condensation du débit comprimé, constitué par deux séparateurs de phase en série, pour le condenser partiellement pour produire un débit liquide, un premier échangeur de chaleur (7), un deuxième échangeur de chaleur (9) qui est un échangeur de chaleur à tubes et à calandre, des moyens pour envoyer au moins une partie du débit liquide dans les tubes du premier échangeur de chaleur, des moyens pour sortir comme produit liquide (11) une première partie du liquide refroidi dans le deuxième échangeur, ensuite détendue, une vanne (V4), des moyens pour envoyer une deuxième partie du liquide refroidi dans le deuxième échangeur se détendre dans la vanne et se vaporiser dans la calandre du premier échangeur pour former un débit vaporisé (15) et des moyens pour comprimer (3A, 3B) au moins une partie du débit vaporisé et la mélanger avec le débit gazeux d'alimentation.

Description

Procédé et appareil de liquéfaction d'un courant de CQ2 gazeux La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de liquéfaction d'un courant de CO2 gazeux. Le courant contient au moins 95% mol de CO2, voire au moins 99% mol de CO2.
L'invention consiste en un procédé permettant de liquéfier un courant de CO2 contenant des impuretés (par exemple H2, N2).
II est connu de JP-A-64084087 de liquéfier un débit contenant majoritairement du CO2 en séchant le débit à liquéfier dans un sécheur, en le refroidissant pour le liquéfier partiellement, en l'envoyant dans un premier séparateur de phases, en envoyant le liquide du premier séparateur de phases à un deuxième séparateur de phases et en extrayant le débit liquéfié du deuxième séparateur de phases. Le gaz du deuxième séparateur de phases est réchauffé et envoyé en amont du sécheur.
Ce procédé ne permet pas de sous-refroidir le liquide produit, ce qui se révèle utile quand le liquide doit être utilisé à une pression plus basse que la pression de liquéfaction.
Un but de la présente invention est de pallier les défauts de l'art antérieur. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de d'un débit gazeux contenant au moins 95% mol. voire au moins 99% mol. de dioxyde de carbone dans lequel :
a) le débit gazeux d'alimentation est comprimé dans au moins un premier étage de compression,
b) le débit comprimé est refroidi pour le condenser au moins partiellement pour produire un débit liquide, en étant refroidi dans un premier échangeur de chaleur autre que le premier échangeur de chaleur pour le condenser partiellement, le débit partiellement condensé est détendu et envoyé à un premier séparateur de phases , un liquide du premier séparateur de phases est détendu puis envoyé à un deuxième séparateur de phases et le débit liquide est soutiré du deuxième séparateur de phases.
c) au moins une partie du débit liquide est refroidi dans les tubes d'un deuxième échangeur de chaleur qui est un échangeur de chaleur à tubes et à calandre
d) une première partie du liquide refroidi dans le deuxième échangeur, ensuite détendue sert de produit liquide e) une deuxième partie (du liquide refroidi dans le deuxième échangeur ou d'un liquide produit en détendant et vaporisant partiellement ce liquide est détendue dans une vanne et se vaporise dans la calandre du premier échangeur pour former un débit vaporisé et
f) au moins une partie du débit vaporisé est comprimée et mélangée avec le débit gazeux d'alimentation.
Selon d'autres aspects facultatifs :
- un gaz du premier séparateur de phases est mélangé avec le débit gazeux d'alimentation à une première pression.
- un gaz du deuxième séparateur de phases est mélangé avec le débit gazeux d'alimentation.
-le gaz du deuxième séparateur de phases est mélangé avec le débit gazeux d'alimentation à une deuxième pression plus basse que la première pression.
-le gaz du deuxième séparateur de phases est mélangé avec le débit gazeux d'alimentation en amont du premier étage de compression.
-le liquide du premier séparateur de phases n'est pas refroidi en amont de la détente
- le deuxième échangeur est un sous-refroidisseur final.
- le produit final n'est pas refroidi en aval du deuxième échangeur.
-aucune fraction du produit liquide n'est recyclée au premier étage de compression
-la deuxième partie du liquide refroidi dans le deuxième échangeur est détendue dans une vanne et se réchauffe uniquement dans le deuxième échangeur de chaleur pour former un débit vaporisé
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de liquéfaction d'un débit gazeux contenant au moins 95 mol.%, voire au moins 99% mol. de dioxyde de carbone comprenant au moins un premier étage de compression dans lequel le débit gazeux d'alimentation est comprimé, des moyens de condensation du débit comprimé, pour le condenser partiellement pour produire un débit liquide, un premier échangeur de chaleur , dans lequel le débit comprimé est refroidi pour le condenser partiellement, des moyens de détente du débit partiellement condensé, un premier séparateur de phases dans lequel le débit détendu est envoyé, des moyens pour détendre un liquide du premier séparateur de phases, un deuxième séparateur de phases, des moyens pour envoyer le liquide détendu au deuxième séparateur de phases et des moyens pour soutirer le débit liquide du deuxième séparateur de phases, un deuxième échangeur de chaleur (9) qui est un échangeur de chaleur à tubes et à calandre, des moyens pour envoyer au moins une partie du débit liquide dans les tubes du deuxième échangeur de chaleur, des moyens pour sortir comme produit liquide i) une première partie du liquide refroidi dans le deuxième échangeur, ensuite détendue, ou ii) une première partie d'un liquide produit en détendant et en vaporisant partiellement le liquide refroidi dans le deuxième échangeur, une vanne , des moyens pour envoyer une deuxième partie du liquide refroidi dans le deuxième échangeur ou d'un liquide produit en détendant et vaporisant partiellement ce liquide se détendre dans la vanne et se vaporiser dans la calandre du deuxième échangeur pour former un débit vaporisé et des moyens pour comprimer au moins une partie du débit vaporisé et la mélanger avec le débit gazeux d'alimentation.
Selon d'autres aspects facultatifs, l'appareil :
- comprend des moyens pour envoyer un gaz du premier séparateur de phases en aval du premier étage de compression.
-comprend des moyens pour envoyer un gaz du deuxième séparateur de phases en amont du premier étage de compression.
- ne comprend pas de moyens de refroidissemeent entre le premier séparateur de phases et la vanne.
Le deuxième échangeur de chaleur est de préférence le dernier sous- refroidisseur de l'appareil.
L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant à la figure.
Dans la figure 1 , le procédé de liquéfaction d'un débit 1 contenant au moins 95% mol, voire au moins 99% mol de dioxyde de carbone s'effectue par refroidissement par échange de chaleur indirect avec une source froide. L'alimentation en CO2, en fonction de sa pression, est faite en inter-étage d'un compresseur de cycle 3, entre les étages 3B et 3C.
Les deux derniers étages 3C, 3D de ce compresseur 3 compriment le débit 1 jusqu'à atteindre une pression suffisante permettant de condenser le courant gazeux en face de la source froide 5 disponible sur site (par exemple de l'eau glacée) dans un échangeur de chaleur 7.
Le CO2 ainsi condensé à haute pression va subir une succession de détentes dans des vannes V1 , V2, afin de s'auto-refroidir par génération d'un gaz. La première détente dans la vanne V1 se fera préférentiellement à la pression d'entrée de la dernière roue 3D du compresseur de cycle 3. Ainsi, le gaz généré 4 suite à la détente du liquide à l'équilibre détendu provenant du séparateur de phases S1 peut être recyclé en amont de la dernière roue du compresseur de cycle.
Une seconde étape de détente du liquide du séparateur de phases S1 dans une seconde vanne V2 est préférentiellement envisagée afin de réduire la pression du CO2 liquéfié, avant d'entrée dans l'échangeur principal 9, permettant ainsi un gain CAPEX sur ce même échangeur. Là encore, la pression de détente est choisie afin de permettre le recyclage d'un gaz 6 d'un deuxième séparateur de phases S2 en amont de l'avant dernière roue 3C de compression.
Cette succession de détentes dans les vannes V1 , V2 permet de refroidir le CO2 liquéfié 18 tout en limitant l'impact OPEX en recyclant le plus possible dans les derniers étages de compressions.
Une fois partiellement détendu et refroidi, le courant de CO2 liquide 18 va entrer dans un échangeur de chaleur 9 afin d'y être fortement sous-refroidi. Après sous-refroidissement le liquide 18 est divisé en deux parties. La partie 1 1 est détendue dans une vanne V3 pour former un produit liquide à la pression requise par le client, typiquement 7bara. Une partie 13 se vaporise contre le liquide 18 dans l'échangeur de chaleur 9, après détente dans une vanne V4. La détente dans la vanne V4 amène le liquide jusqu'à atteindre une température la plus proche possible de celle du point triple (-56.5°C).
Le CO2 basse pression vaporisé 15 est ensuite recyclé aux premiers étages 3A, 3B du compresseur de cycle 3 afin d'assurer un rendement de liquéfaction de 100%. Entre les étages 3B et 3, il est mélangé avec le débit 1 .
L'échangeur de chaleur 9 mentionné ci-dessus sera un échangeur de type à tubes et à calandre (en anglais « Shell and Tubes »), avec le débit 18 à refroidir dans les tubes et le liquide détendu 13 à une pression proche de celle du point triple dans la calandre, afin d'éviter tout risque d'accident, suite à une éventuelle prise en glace de ce même courant (notamment dans le cas où le compresseur de cycle 3, dans lequel va retourner le liquide vaporisé 15, aspire trop et fasse chuter la pression en dessous de celle du point triple du CO2).

Claims

Revendications
1 . Procédé de liquéfaction d'un débit gazeux contenant au moins 95% mol., voire au moins 99% mol. de dioxyde de carbone dans lequel :
a) le débit gazeux d'alimentation (1 ) est comprimé dans au moins un premier étage (3C, 3D) de compression,
b) le débit comprimé est refroidi pour le condenser au moins partiellement pour produire un débit liquide, en étant refroidi dans un premier échangeur de chaleur (7) autre que le premier échangeur de chaleur pour le condenser partiellement, le débit partiellement condensé est détendu et envoyé à un premier séparateur de phases (S1 ), un liquide du premier séparateur de phases est détendu puis envoyé à un deuxième séparateur de phases (S2) et le débit liquide est soutiré du deuxième séparateur de phases.
c) au moins une partie du débit liquide est refroidi dans les tubes d'un deuxième échangeur de chaleur (9) qui est un échangeur de chaleur à tubes et à calandre
d) une première partie (1 1 ) du liquide refroidi dans le deuxième échangeur, ensuite détendue, sert de produit liquide
e) une deuxième partie (13) du liquide refroidi dans le deuxième échangeur ou d'un liquide produit en détendant et vaporisant partiellement ce liquide est détendue dans une vanne (V4, V10) et se vaporise dans la calandre du premier échangeur pour former un débit vaporisé (15) et
f) au moins une partie du débit vaporisé est comprimé et mélangé avec le débit gazeux d'alimentation.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel un gaz (4) du premier séparateur de phases (S1 ) est mélangé avec le débit gazeux d'alimentation à une première pression.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel un gaz (6) du deuxième séparateur de phases (S2) est mélangé avec le débit gazeux d'alimentation.
4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le gaz (6) du deuxième séparateur de phases (S2) est mélangé avec le débit gazeux d'alimentation à une deuxième pression plus basse que la première pression.
5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel le gaz du deuxième séparateur de phases (S2) est mélangé avec le débit gazeux d'alimentation en amont du premier étage de compression.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le liquide (14) du premier séparateur de phases (S1 ) n'est pas refroidi en amont de la détente.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le deuxième échangeur de chaleur (9) est un sous-refroidisseur final.
8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel le produit final n'est pas refroidi en aval du deuxième échangeur.
9. Appareil de liquéfaction d'un débit gazeux contenant au moins 95 mol.%, voire au moins 99% mol. de dioxyde de carbone comprenant au moins un premier étage de compression (C3,C4) dans lequel le débit gazeux d'alimentation (1 ) est comprimé, des moyens de condensation du débit comprimé, pour le condenser partiellement pour produire un débit liquide, un premier échangeur de chaleur (7) , dans lequel le débit comprimé est refroidi pour le condenser partiellement, des moyens de détente du débit partiellement condensé, un premier séparateur de phases (S1 ) dans lequel le débit détendu est envoyé, des moyens (V2) pour détendre un liquide du premier séparateur de phases, un deuxième séparateur de phases (S2), des moyens pour envoyer le liquide détendu au deuxième séparateur de phases et des moyens pour soutirer le débit liquide du deuxième séparateur de phases, un deuxième échangeur de chaleur (9) qui est un échangeur de chaleur à tubes et à calandre, des moyens pour envoyer au moins une partie du débit liquide dans les tubes du deuxième échangeur de chaleur, des moyens pour sortir comme produit liquide (1 1 ) une première partie du liquide refroidi dans le deuxième échangeur qui est ensuite détendue, , une vanne (V4, V10), des moyens pour envoyer une deuxième partie du liquide refroidi dans le deuxième échangeur se détendre dans la vanne et se vaporiser dans la calandre du deuxième échangeur pour former un débit vaporisé (15) et des moyens pour comprimer (3A,3B) au moins une partie du débit vaporisé et la mélanger avec le débit gazeux d'alimentation.
10. Appareil selon la revendication 9 comprenant des moyens pour envoyer un gaz du premier séparateur de phases en aval du premier étage de compression.
1 1 . Appareil selon la revendication 9 ou 10 comprenant des moyens pour envoyer un gaz du deuxième séparateur de phases en amont du premier étage de compression.
12. Appareil selon l'une des revendications 9 à 1 1 ne comprenant pas de moyens de refroidissement entre le premier séparateur de phases et la vanne.
13. Appareil selon l'une des revendications 9 à 12 dans lequel le deuxième échangeur de chaleur est le dernier sous-refroidisseur de l'appareil.
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