PROCÉDÉ ET APPAREIL DE SÉPARATION D'UN MÉLANGE GAZEUX CONTENANT DU DIOXYDE DE CARBONE

Abstract

 Dans un procédé de séparation d'un premier mélange gazeux (05) contenant du dioxyde de carbone et au moins une impureté plus légère que le dioxyde de carbone, le premier mélange gazeux provenant d'un stockage (70) de dioxyde de carbone liquide, un deuxième mélange gazeux (11, 12) contenant du dioxyde de carbone et au moins une impureté plus légère que le dioxyde de carbone est séparé dans un système de séparation comprenant un échangeur de chaleur (20) et une colonne de distillation (40) pour former un débit liquide plus pur en dioxyde de carbone que le deuxième mélange gazeux, le deuxième mélange gazeux se refroidit dans l'échangeur de chaleur en amont de la séparation, le débit liquide est soutiré d'une colonne de distillation du système de séparation, une première partie (33) du débit liquide est envoyée à un stockage (70) de dioxyde de carbone liquide, une deuxième partie (03) du débit liquide est envoyé à un séparateur de phases (50) avec le premier mélange gazeux, des fluides du séparateur de phases sont réchauffés, comprimés (10) et envoyés à la distillation.

Description

[0001] L'invention est relative à un procédé et un appareil de séparation d'un mélange gazeux contenant du dioxyde de carbone et au moins une impureté plus légère que le dioxyde carbone par séparation de phases et/ou par distillation. Selon un tel procédé, un mélange gazeux contenant du dioxyde de carbone et au moins une impureté légère (O2, H2, CO etc.), qui est par exemple un gaz d'évaporation d'un stockage de dioxyde de carbone liquide, peut être séparé formant un liquide appauvri en impureté légère qui peut être renvoyé au stockage sous forme liquide ou réutilisé par ailleurs dans le procédé. Ceci permet de produire du dioxyde de carbone épuré provenant du gaz de vaporisation des stockages sous forme liquide, le liquide étant renvoyé dans au moins un stockage fixe ou transportable à travers des systèmes de chargement.

[0002] Des gaz d'évaporation (en anglais connus sous le nom « boil-off gases » ou « BOG ») sont généralement générés sur l'équipement final d'une usine de séparation de CO2 :

• Dans au moins un stockage fixe de CO2 et/ou
• Dans les systèmes de chargement de CO2 et/ou
• Pendant les opérations de chargement de CO2 dans des stockages transportables (par exemple sur des bateaux / camions-citernes / trains) ou dans une canalisation

[0003] Ces gaz riches en CO2, générés par plusieurs phénomènes, sont des pertes de CO2 s'ils ne sont pas recyclés ou liquéfiés et renvoyés car généralement ils sont envoyés vers un évent.

[0004] Avec l'augmentation de la demande d'unités de captage et de séparation de CO2 et l'augmentation de la capacité de ces unités, il devient nécessaire de traiter les BOG (gaz d'évaporation) générés.

[0005] JP-S-57-149699 publié en 1982 décrit un procédé de distillation produisant du CO2 liquide qui est pressurisé et envoyé à un stockage, le gaz du ciel au-dessus du niveau de liquide dans le stockage étant envoyé à la colonne de distillation. Le préambule de la revendication 1 contient les caractéristiques communes à ce document.

[0006] Dans une usine de séparation de CO2 à petite échelle, les gaz évaporés générés dans les systèmes de stockage et de chargement sont actuellement :

• Utilisés pour la régénération de l'adsorbant qui sert à sécher le gaz à liquéfier et ensuite rejetés dans l'atmosphère ou
• Rejetés dans l'atmosphère directement.

[0007] Le procédé selon l'invention consiste à recycler le gaz évaporé, par exemple des stockages et des systèmes de chargement, vers une unité de séparation d'un mélange de CO2 par distillation et/ou condensation partielle à un endroit adéquat où les conditions (pression/température) sont favorables. De plus, le recyclage du BOG vers l'unité de séparation augmente la demande de liquide de refroidissement. L'invention décrit le meilleur emplacement pour le recycler afin d'optimiser l'augmentation de fluide en circulation sur le liquéfacteur.

[0008] Selon un objet de l'invention, il est prévu de renvoyer les gaz évaporés vers un séparateur de phase localisé en amont ou en aval des stockages ou dans un autre procédé de séparation de CO2.

[0009] Une colonne de distillation contient des moyens de favoriser l'échange de chaleur et de matière, tels que des plateaux, des garnissages structurés ou en vrac.

[0010] Un séparateur de phase ne contient pas de moyens de favoriser l'échange de chaleur et de matière, effectuant essentiellement une séparation équivalent à un seul plateau théorique.

[0011] La réfrigération pour la séparation provient éventuellement d'un cycle de réfrigérant contenant du CO2 en cycle ouvert ou fermé. Il est également possible d'avoir un schéma en cascade contenant ou autre type de composé comme le NH3 ou tout autre réfrigérant permettant la liquéfaction du CO2.

[0012] Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'un premier mélange gazeux contenant du dioxyde de carbone et au moins une impureté plus légère que le dioxyde de carbone, le premier mélange gazeux provenant d'un stockage de dioxyde de carbone liquide ou étant produit pendant le remplissage d'un stockage de dioxyde de carbone liquide dans lequel le premier mélange gazeux ainsi qu'un deuxième mélange gazeux contenant du dioxyde de carbone et au moins une impureté plus légère que le dioxyde de carbone sont séparés dans un système de séparation comprenant un échangeur de chaleur et au moins une colonne de distillation pour former un débit liquide plus pur en dioxyde de carbone que le deuxième mélange gazeux et un gaz moins pur en dioxyde de carbone que le premier mélange gazeux, le deuxième mélange gazeux se refroidit dans l'échangeur de chaleur en amont de la séparation, le débit liquide est soutiré d'une colonne de distillation du système de séparation, au moins une première partie du débit liquide est envoyée à au moins un stockage de dioxyde de carbone liquide voire au stockage de dioxyde de carbone liquide d'où provient le premier mélange gazeux éventuellement après avoir été pressurisée caractérisé en ce qu'une deuxième partie du débit liquide est partiellement vaporisée pour former un débit diphasique et le débit diphasique est séparé pour former un gaz et un liquide dans le séparateur de phase, le liquide du séparateur de phase est vaporisé dans l'échangeur de chaleur pour former un liquide vaporisé, le gaz du séparateur de phase est réchauffé dans l'échangeur de chaleur pour former un gaz réchauffé, un gaz est formé en mélangeant le liquide vaporisé
et le gaz réchauffé et est comprimé dans un compresseur avec au moins une partie du deuxième mélange, condensé au moins partiellement dans l'échangeur de chaleur et renvoyé à la colonne dont le débit liquide a été soutiré et le premier mélange gazeux est envoyé directement au séparateur de phases pour se mélanger avec le débit diphasique, éventuellement après avoir été détendu.

[0013] Selon d'autres caractéristiques facultatives :

• le premier mélange est détendu en amont du séparateur de phases
• le premier mélange gazeux contenant du dioxyde de carbone et au moins une impureté est à une température inférieure à -45°C dans une conduite l'amenant depuis le stockage vers l'au moins une colonne et/ou l'au moins un séparateur de phases.
• le premier mélange se sépare dans une colonne de distillation et un débit de reflux liquide constituant une partie du deuxième mélange est envoyé en tête de la colonne.
• le premier mélange provient d'un stockage opérant à une pression supérieure à celle de la colonne dans lequel le premier mélange est séparé.
• le premier mélange contient au moins 90% mol CO2, de préférence au moins 95% mol CO2, voire au moins 97% mol CO2 ou au moins 99% CO2
• le deuxième mélange contient au moins 20% mol CO2, de préférence au moins 40% mol. CO2, voire au moins 60% mol CO2, au moins 80% mol CO2, ou au moins 90% CO2
• le premier mélange est au moins aussi pur en CO2 que le deuxième mélange.
• l'au moins une impureté plus légère que le dioxyde de carbone est de l'azote, de l'oxygène, de l'argon, du méthane, du monoxyde de carbone, de l'hydrogène.
• Le premier mélange et/ou au moins une partie du deuxième mélange est envoyé à une colonne du système comme gaz de rebouillage
• Un gaz de tête d'une/la colonne du système se réchauffe dans l'échangeur
• Tout le liquide de cuve produit par une/la colonne du système est envoyé à au moins un stockage, éventuellement transportable
• le débit liquide est moins pur ou plus pur en dioxyde de carbone que le premier mélange gazeux
• le premier mélange gazeux contient au moins 90% mol CO2, de préférence au moins 95% mol CO2, voire au moins 97% mol CO2 ou au moins 99% CO2
• le deuxième mélange contient au moins 20% mol CO2, de préférence au moins 40% mol. CO2, voire au moins 60% mol CO2, au moins 80% mol CO2, ou au moins 90% CO2
• le premier mélange est au moins aussi pur en CO2 que le deuxième mélange.
• l'au moins une impureté plus légère que le dioxyde de carbone est de l'azote, de l'oxygène, de l'argon, du méthane, du monoxyde de carbone, de l'hydrogène, de l'hélium.
• le séparateur de phases fonctionne à une pression inférieure à la pression du stockage .
• le séparateur de phases fonctionne à environ 5,6 bara.
• le stockage fonctionne ou le remplissage s'effectue à entre 6 et 12 bara, voire entre 6 et 8 bara.
• un gaz de tête d'une colonne du système ou de la colonne du système se réchauffe dans l'échangeur.

[0014] Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'un premier mélange gazeux contenant du dioxyde de carbone et au moins une impureté plus légère que le dioxyde de carbone, comprenant des moyens pour amener le premier mélange gazeux depuis un stockage de dioxyde de carbone liquide ou une conduite de remplissage d'un stockage de dioxyde de carbone liquide, un système de séparation comprenant un échangeur de chaleur ainsi qu'au moins un séparateur de phase et au moins une colonne de distillation, des moyens pour envoyer le premier mélange gazeux se séparer dans le système de séparation, des moyens pour envoyer un deuxième mélange gazeux contenant du dioxyde de carbone et au moins une impureté plus légère que le dioxyde de carbone se refroidir, voire se condenser dans l'échangeur de chaleur, des moyens pour amener le deuxième mélange refroidi dans l'échangeur de chaleur se séparer dans l'au moins une colonne de distillation pour former un débit liquide plus pur en dioxyde de carbone que le deuxième mélange gazeux et un gaz moins pur en dioxyde de carbone que le deuxième mélange gazeux, des moyens pour soutirer le débit liquide d'une colonne de distillation du système de séparation, éventuellement une pompe pour pressuriser au moins une première partie du débit liquide, des moyens pour envoyer l'au moins une première partie du débit liquide à un stockage de dioxyde de carbone liquide voire au stockage de dioxyde de carbone liquide d'où provient le premier mélange gazeux caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour vaporiser partiellement une deuxième partie du débit liquide pour former un débit diphasique, des moyens pour envoyer le débit diphasique dans le séparateur de phases pour former un gaz et un liquide, des moyens pour envoyer le liquide du séparateur de phases se vaporiser dans l'échangeur de chaleur pour former un liquide vaporisé, des moyens pour envoyer le gaz du séparateur de phases se réchauffer dans l'échangeur de chaleur pour former un gaz réchauffé, des moyens pour former un gaz en mélangeant le liquide vaporisé et le gaz réchauffé, un compresseur, des moyens pour envoyer le gaz formé en mélangeant le liquide et le gaz ainsi qu'au moins une partie du deuxième mélange gazeux au compresseur, des moyens pour envoyer le gaz comprimé dans le compresseur dans l'échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer le gaz comprimé partiellement condensé à l'au moins un séparateur de phase du système ou à la colonne dont le débit liquide a été soutiré et des moyens pour envoyer le premier mélange au séparateur de phases pour se mélanger avec le débit diphasique.

[0015] L'appareil peut comprendre des moyens pour détendre le premier mélange gazeux en amont du séparateur de phases.

[0016] L'invention sera décrite de manière plus détaillée, en se référant à la figure où :
[FIG. 1] représente un procédé selon l'invention.

[0017] Dans la Figure 1, l'appareil de séparation du premier mélange gazeux 05 comprenant du CO2 et au moins une impureté plus légère que le CO2 telle que l'hélium, le méthane, le monoxyde de carbone, l'hydrogène, l'azote, l'argon ou l'oxygène est constitué par un échangeur de chaleur 20 et une colonne de distillation 40.

[0018] La source 70 du premier mélange gazeux 05 peut être :

• au moins un stockage fixe de CO2 liquide dans lequel un gaz d'évaporation 05 est généré par les rentrées de chaleur et/ou
• au moins un système de chargement de CO2 liquide relié à un stockage produisant un gaz d'évaporation 05 et/ou
• au moins un stockage transportable (par exemple sur des bateaux/ camions-citernes / trains), au moins une partie du premier mélange gazeux 05 étant générée pendant les opérations de chargement de CO2 liquide.

[0019] La source de gaz 70 peut être alimentée exclusivement en CO2 liquide par l'appareil de la Fig 1, exclusivement par au moins un autre appareil de production de CO2 liquide ou par les deux.

[0020] Ici la colonne 40 est réchauffée en cuve par un débit de gaz de rebouillage 07, qui est un deuxième mélange gazeux refroidi dans l'échangeur de chaleur 20. En variante, ce gaz riche en CO2 07 peut être formé vaporisant une partie du liquide de cuve de la colonne 40 dans l'échangeur 20 et en la renvoyant à la colonne. D'autres sources du gaz de rebouillage sont possibles.

[0021] Le premier mélange gazeux 05 contient au moins 90% mol CO2, de préférence au moins 95% mol CO2, voire au moins 97% mol CO2 ou au moins 99% CO2.

[0022] Le deuxième mélange 07, 11 contient au moins 20% mol CO2, de préférence au moins 40% mol. CO2, voire au moins 60% mol CO2, au moins 80% mol CO2, ou au moins 90% CO2.

[0023] Le premier mélange 05 est au moins aussi pur en CO2 que le deuxième mélange 07,11, 12.

[0024] Du liquide formé en cuve de la colonne 40 est soutiré de la colonne et divisé en deux parties. Ce liquide est plus pur en CO2 que le deuxième mélange gazeux 11 et éventuellement plus pur en CO2 que le premier mélange gazeux 05. Par contre, il peut être moins pur en CO2 que le premier mélange gazeux 05. Une première partie 33 est pressurisée par une pompe P et soit envoyée directement à un stockage 70, pouvant être la source de gaz 05 ou un autre stockage soit traitée pour former un liquide à envoyer au source de gaz 70 ou à un autre stockage.

[0025] Une deuxième partie 03 du liquide de cuve est détendue pour la vaporiser partiellement formant un débit diphasique. Le débit diphasique est envoyé à un ballon 50 servant de séparateur de phases. Le gaz et le liquide formés dans le ballon servant de séparateur de phases sont envoyés à l'échangeur de chaleur (afin de fournir l'énergie de réfrigération nécessaire) où le liquide se vaporise pour former un gaz, ce gaz et le gaz du séparateur 50 réchauffé dans l'échangeur de chaleur étant mélangés pour former un gaz 01. Le gaz 01, dans les deux cas, est comprimé dans un compresseur 10 pour former un gaz comprimé qui est ensuite refroidi dans l'échangeur de chaleur 20, puis détendu dans une vanne pour être envoyé comme liquide 2 à un niveau intermédiaire de la colonne 40.

[0026] Un gaz 11 contenant du dioxyde de carbone et au moins une impureté plus légère que le dioxyde de carbone est envoyé à l'entrée du compresseur ou à un niveau intermédiaire du compresseur pour être comprimé. Ce gaz constitue le deuxième mélange gazeux.

[0027] Dans le développement futur du transport de CO2, il est prévu d'installer des systèmes de stockage et de chargement fonctionnant à basse pression. La pression du stockage ou du chargement peut varier de 6 bara à 12 bara (ou de 6 bara à 8 bara). Dans ce cas, le gaz 05 est généralement à environ -52°C. Dans ces conditions, la pression du gaz 05 est inférieure à la pression au niveau du séparateur de phases ou de la colonne 40. Comme illustré à la Figure 1, le gaz 05 issu de la source 70 est ensuite détendu à travers la vanne 60 pour former un débit diphasique est envoyé au ballon 50 (fonctionnant généralement à une pression inférieure à la pression du stockage 70, voire généralement à environ 5,6 bara). Aucune partie du premier mélange gazeux 05 n'est envoyée directement à la colonne 40. Ainsi le premier mélange gazeux 05 est envoyé se séparer dans la colonne 40 mais après s'être mélangé avec le fluides produits en détendant la deuxième partie 03 du liquide de cuve de la colonne 40 et avec une partie du deuxième mélange 11. Cette disposition peut convenir aussi au cas où la teneur en impureté légère du premier mélange 05 est si élevée qu'il doit être mélangé avec un fluide plus riche en CO2 afin d'être traité.

[0028] Il est prévu une isolation pour la conduite du gaz 05 de sorte que celui-ci ne se réchauffe pas entre la source 70 et l'appareil de séparation, puisque la source 70 opère à une température subambiante.

Revendications

1. Procédé de séparation d'un premier mélange gazeux (05) contenant du dioxyde de carbone et au moins une impureté plus légère que le dioxyde de carbone, le premier mélange gazeux provenant d'un stockage (70) de dioxyde de carbone liquide ou étant produit pendant le remplissage d'un stockage de dioxyde de carbone liquide dans lequel le premier mélange gazeux ainsi qu'un deuxième mélange gazeux (11) contenant du dioxyde de carbone et au moins une impureté plus légère que le dioxyde de carbone sont séparés dans un système de séparation comprenant un échangeur de chaleur (20) et au moins une colonne de distillation (40) pour former un débit liquide plus pur en dioxyde de carbone que le deuxième mélange gazeux et un gaz (45) moins pur en dioxyde de carbone que le premier mélange gazeux, le deuxième mélange gazeux se refroidit dans l'échangeur de chaleur en amont de la séparation, le débit liquide est soutiré d'une colonne de distillation du système de séparation, au moins une première partie (33) du débit liquide est envoyée à au moins un stockage (70) de dioxyde de carbone liquide voire au stockage de dioxyde de carbone liquide d'où provient le premier mélange gazeux éventuellement après avoir été pressurisée caractérisé en ce qu'une deuxième partie (03) du débit liquide est partiellement vaporisée pour former un débit diphasique et le débit diphasique est séparé pour former un gaz et un liquide dans le séparateur de phase (50), le liquide du séparateur de phase est vaporisé dans l'échangeur de chaleur pour former un liquide vaporisé, le gaz du séparateur de phase est réchauffé dans l'échangeur de chaleur pour former un gaz réchauffé, un gaz (01) est formé en mélangeant le liquide vaporisé
et le gaz réchauffé et est comprimé dans un compresseur (10) avec au moins une partie (11) du deuxième mélange, condensé au moins partiellement dans l'échangeur de chaleur et renvoyé à la colonne (40) dont le débit liquide a été soutiré et le premier mélange gazeux (05) est envoyé directement au séparateur de phases (50) pour se mélanger avec le débit diphasique, éventuellement après avoir été détendu.

2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le premier mélange gazeux (05) provient du stockage à une pression inférieure à celle de la colonne (40).

3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le premier mélange (05) provient d'un stockage (70) opérant à une pression supérieure à celle de la colonne (40) dans lequel le premier mélange est séparé.

4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le premier mélange gazeux (05) contenant du dioxyde de carbone et au moins une impureté est à une température inférieure à -45°C dans une conduite l'amenant depuis le stockage (70) vers l'au moins une colonne (40) et/ou l'au moins un séparateur de phases.

5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le premier mélange gazeux contient au moins 90% mol CO2, de préférence au moins 95% mol CO2, voire au moins 97% mol CO2 ou au moins 99% CO2

6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le deuxième mélange contient au moins 20% mol CO2, de préférence au moins 40% mol. CO2, voire au moins 60% mol CO2, au moins 80% mol CO2, ou au moins 90% CO2

7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le premier mélange est au moins aussi pur en CO2 que le deuxième mélange.

8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'au moins une impureté plus légère que le dioxyde de carbone est de l'azote, de l'oxygène, de l'argon, du méthane, du monoxyde de carbone, de l'hydrogène.

9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le séparateur de phases (50) fonctionne à une pression inférieure à la pression du stockage (70).

10. Procédé selon la revendication précédente dans lequel le séparateur de phases (50) fonctionne à environ 5,6 bara.

11. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le stockage (70) fonctionne ou le remplissage s'effectue à entre 6 et 12 bara, voire entre 6 et 8 bara.

12. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel un gaz de tête (45) d'une colonne du système ou de la colonne du système se réchauffe dans l'échangeur (20).

13. Appareil de séparation d'un premier mélange gazeux contenant du dioxyde de carbone et au moins une impureté plus légère que le dioxyde de carbone, comprenant des moyens pour amener le premier mélange gazeux (05) depuis un stockage (70) de dioxyde de carbone liquide ou une conduite de remplissage d'un stockage de dioxyde de carbone liquide, un système de séparation (40, 50) comprenant un échangeur de chaleur (20) ainsi qu'au moins un séparateur de phase (50) et au moins une colonne de distillation (40), des moyens pour envoyer le premier mélange gazeux se séparer dans le système de séparation, des moyens pour envoyer un deuxième mélange gazeux (11, 12) contenant du dioxyde de carbone et au moins une impureté plus légère que le dioxyde de carbone se refroidir, voire se condenser dans l'échangeur de chaleur, des moyens pour amener le deuxième mélange refroidi dans l'échangeur de chaleur se séparer dans l'au moins une colonne de distillation pour former un débit liquide plus pur en dioxyde de carbone que le deuxième mélange gazeux et un gaz moins pur en dioxyde de carbone que le deuxième mélange gazeux, des moyens pour soutirer le débit liquide d'une colonne de distillation du système de séparation, éventuellement une pompe (P) pour pressuriser au moins une première partie (33) du débit liquide, des moyens pour envoyer l'au moins une première partie du débit liquide à un stockage (70) de dioxyde de carbone liquide voire au stockage de dioxyde de carbone liquide d'où provient le premier mélange gazeux caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour vaporiser partiellement une deuxième partie du débit liquide (03) pour former un débit diphasique, des moyens pour envoyer le débit diphasique dans le séparateur de phases (50) pour former un gaz et un liquide, des moyens pour envoyer le liquide du séparateur de phases se vaporiser dans l'échangeur de chaleur pour former un liquide vaporisé, des moyens pour envoyer le gaz du séparateur de phases se réchauffer dans l'échangeur de chaleur pour former un gaz réchauffé, des moyens pour former un gaz en mélangeant le liquide vaporisé et le gaz réchauffé, un compresseur (10), des moyens pour envoyer le gaz formé en mélangeant le liquide et le gaz ainsi qu'au moins une partie (11) du deuxième mélange gazeux au compresseur, des moyens pour envoyer le gaz comprimé dans le compresseur dans l'échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer le gaz comprimé partiellement condensé à l'au moins un séparateur de phase (40') du système ou à la colonne (40) dont le débit liquide a été soutiré et des moyens pour envoyer le premier mélange au séparateur de phases (50) pour se mélanger avec le débit diphasique.

14. Appareil selon la revendication 13 comprenant des moyens (60) pour détendre le premier mélange gazeux (05) en amont du séparateur de phases (50).

Dessins