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FR3067099B1 - Dispositif de separation de melange gazeux - Google Patents

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Abstract

Le dispositif de séparation (1) comprend une unité de compression (6) et une unité (7) de séparation du mélange gazeux (2, 8), destinée à produire un perméat (3) et un rétentat (4), et agencée en aval de l'unité de compression (6). L'unité de compression (6) est conformée pour réaliser une compression telle que la température du mélange gazeux reste sensiblement constante durant toute cette compression.

Description

Dispositif de séparation de mélange gazeux
La présente invention concerne un dispositif de séparation de mélange gazeux etde conversion d'énergie.
La séparation cryogénique est typiquement préférée dans l'industrie pour produirede grands volumes d'oxygène, d'azote ou autre, exploités dans une variété de systèmesde conversion d'énergie différents, par exemple pour le chauffage de fourneaux industrielsou pour des centrales électriques à gaz naturel ou à charbon.
Cependant, la séparation cryogénique présente des coûts énergétiquesd’exploitation très élevés, en particulier comporte une phase de compressionparticulièrement coûteuse en énergie.
On connaît déjà dans l’état de la technique, notamment d’après US 2004/0016237,un dispositif intégré de séparation cryogénique d'air et de conversion d'énergie,comprenant une unité de séparation d'air propre à produire de l’air enrichi en oxygène, etune unité de compression pour fournir de l'air comprimé à l'unité de séparation d'air. Ledispositif comprend en outre une unité de combustion alimentée par l’air enrichi enoxygène produit par l'unité de séparation. L’unité de combustion est propre à délivrer ungaz d’entrainement à une turbine.
On connaît par ailleurs, notamment d’après US 6 382 958, un dispositif deséparation à membrane céramique, utilisé dans un procédé de chauffage. Dans un teldispositif, l’air est chauffé à très haute température avant séparation. US 8 752 391 décrit également un dispositif de séparation à membrane céramiquefonctionnant à haute température, dans lequel la température du mélange gazeux estélevée à plus de 540°C avant séparation. Ce type de membrane est particulièrementonéreux et n’est pas adapté pour des utilisations à basse température.
On connaît par ailleurs, d’après WO 2008/013843, un dispositif pour mettre enoeuvre une combustion enrichie en oxygène, dans lequel de l’énergie est produite par uncycle Rankine indépendant à partir d’une récupération de chaleur. Toutefois ce dispositifne permet pas de rendre un procédé de séparation de gaz plus efficace.
On connaît par ailleurs, d’après US 7 637 109, l’utilisation d’un réfrigérant tel quele gaz naturel liquéfié, pour refroidir de l’oxygène avant compression. Ce dispositif derefroidissement est agencé en amont d’un système de compression, et ne permet doncpas une compression isotherme.
On connaît également, d’après US 2012 0324944, un dispositif de séparation,fonctionnant à de basses pressions.
Toutefois, de tels dispositifs ne donnent pas entièrement satisfaction.
En particulier, les processus de séparation connus sont habituellement coûteux enénergie. L’invention a notamment pour but de proposer un dispositif intégré de séparationde mélange gazeux et de conversion d'énergie présentant un meilleur rendement. A cet effet, l’invention a notamment pour objet un dispositif de séparation d’unmélange gazeux comprenant : - une unité de compression ; - une unité de séparation du mélange gazeux, destinée à produire unperméat et un rétentat, et agencée en aval de l’unité de compression ; caractérisé en ce que l’unité de compression est conformée pour réaliser unecompression telle que la température du mélange gazeux reste sensiblement constantedurant toute cette compression. L’unité de compression réalise donc une compression quasi-isotherme. Une tellecompression quasi-isotherme nécessite moins d’énergie pour porter le mélange gazeux àune pression prédéterminée. L’invention est basée sur un procédé de séparation de gaz, utilisant un cyclethermodynamique impliquant une compression isotherme et prévoyant d’utiliser la chaleurdégagée par une combustion pour chauffer l’un des gaz séparés. Un exempled’application est l’oxy-combustion.
Le dispositif selon l’invention peut comprendre en outre l’une ou plusieurs descaractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes combinaisonstechniquement possibles. - Durant la compression, la différence entre la température du mélange gazeux àtout moment, et la température initiale du mélange gazeux, est inférieure à 50 °C. - Le dispositif de séparation comprend des moyens d’injection d’un liquide dansl’unité de compression, permettant d’adjoindre un liquide au mélange gazeux dans l’unitéde compression pour former un fluide diphasique, le liquide étant propre à absorber lachaleur issue de la compression pour maintenir la température sensiblement constantedurant cette compression. - Le dispositif de séparation comprend une unité de chauffage, connectée à l’unitéde séparation, et une machine de détente, agencée en aval de l’unité de chauffage. - La machine de détente est configurée pour réaliser une détente telle que latempérature du mélange gazeux reste sensiblement constante durant toute la détente,notamment la différence entre la température du mélange gazeux à tout moment, et latempérature du mélange gazeux préalablement à la détente, est inférieure à 50 °C. - La machine de détente est reliée mécaniquement à un générateur électrique. - L’unité de chauffage comporte un échangeur de chaleur. - L’unité de séparation comporte un appareil de séparation membranaire. - Le mélange gazeux est formé d’air, le perméat est de l’air enrichi en oxygène etle rétentat est de l’air appauvri en oxygène. - Le mélange gazeux est formé par du gaz de combustion, le perméat est de l’airenrichi en CO2 et le rétentat est de l’air appauvri en CO2. L’invention a également pour objet une installation industrielle, caractérisée en cequ’elle comporte un dispositif de séparation tel que défini précédemment. L’installation selon l’invention peut comprendre en outre l’une ou plusieurs descaractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes combinaisonstechniquement possibles. - L’installation industrielle comprend une unité de combustion, connectée à l’unitéde séparation de sorte que le perméat ou le rétentat alimente l’unité de combustion. - L’installation industrielle comprend une machine de détente agencée en aval del’unité de combustion (10). - L’unité de chauffage est connectée à l’unité de combustion, de sorte que l’unitéde chauffage est alimentée par un gaz d’échappement issu d’une combustion réaliséedans l’unité de combustion. L’invention concerne également un procédé de séparation d’un mélange gazeux,caractérisé en ce qu’il est mis en oeuvre au moyen d’un dispositif de séparation tel quedéfini précédemment, et en ce qu’il comporte les étapes suivantes : - une étape de compression du mélange gazeux, durant laquelle latempérature du mélange gazeux reste sensiblement constante durant lacompression, pour obtenir un mélange gazeux comprimé; - une étape de séparation au moins partielle du mélange gazeux comprimépour obtenir un perméat et un rétentat ; - une étape de chauffage du perméat ou du rétentat ; - une étape de détente du perméat ou du rétentat chauffé. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre,donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux figures annexées, parmilesquelles : - la figure 1 est une vue schématique d’une installation industrielle comprenant undispositif de séparation de mélange gazeux selon un exemple de mode de réalisation deinvention ; et - la figure 2 est un diagramme d’un cycle thermodynamique représentantl’évolution du mélange gazeux dans le dispositif de la figure 1.
On notera que dans la présente description, les termes « amont » et « aval » sontdéfinis relativement à un sens d’écoulement d’un mélange gazeux dans un circuit.
On a représenté, sur la figure 1, une installation industrielle 20.
Par exemple, l’installation industrielle 20 forme une aciérie, une verrerie ou unecentrale électrique. L’installation industrielle 20 comprend un dispositif de séparation 1 et une unité decombustion 10.
Le dispositif de séparation 1 comporte un circuit principal 5 comprenant une unitéde compression 6 et une unité de séparation 7. L’unité de compression 6 est alimentée en un mélange gazeux 2 présentant unepression PO et une température T0, et comprime ce mélange gazeux 2 pour obtenir unmélange gazeux comprimé 8 présentant une pression P1 supérieure à PO et unetempérature T1.
La pression P1 est par exemple supérieure à 7 bar, de préférence supérieure à 24bar.
Par exemple, le mélange gazeux 2 est formé d’air. Cet air peut optionnellementêtre préalablement déshydraté. En variante, le mélange gazeux 2 est formé de gaz decombustion. L’unité de compression 6 est propre à délivrer une compression quasi isotherme.Plus particulièrement, la température du mélange gazeux reste sensiblement constantedurant toute la compression.
Ainsi, par définition, les températures T0 et T1 sont sensiblement égales.
Avantageusement, la différence entre la température T0 du mélange gazeux 2 etla température T1 du mélange gazeux comprimé 8 est inférieure à 50 °C.
De préférence, la différence entre la température T0 du mélange gazeux 2 et latempérature T1 du mélange gazeux comprimé 8 est inférieure à 15°C.
Optionnellement, le mélange gazeux 2 est préalablement refroidi sous latempérature ambiante avant l’unité de compression.
Pour réaliser une telle compression isotherme ou quasi-isotherme, un liquide peutêtre adjoint au mélange gazeux 2 dans l’unité de compression 6 pour former un fluidediphasique. Ainsi, le liquide, en contact direct avec le gaz, absorbe la chaleur issue de lacompression de ce gaz, pour ainsi obtenir une compression isotherme au cours delaquelle la température reste sensiblement constante durant toute la compression. Leditliquide peut être apte à subir un changement de phase par évaporation lors del’absorption de la chaleur de compression. Il est à noter que la température estconsidérée comme sensiblement constante lorsque la différence entre cette température et la température initiale est notamment inférieure à 50 °C, de préférence inférieure à15°C. A titre d’exemple, ledit liquide utilisé peut-être de l’eau ou une huile.
Un autre exemple d’unité de compression quasi-isotherme est décrit dans ledocument « On The Strategies Towards Isothermal Gas Compression And Expansion »,2014, par Mahbod Heidari, Sylvain Lemofouet et Alfred Rufer.
Un autre exemple d’unité de compression quasi-isotherme est décrit dansUS 4 027 993. Cette unité de compression utilise un mélange de gaz et de liquide, et apour avantage de maintenir la température du gaz constante après la compression. US 4 446 698 ou WO 2010/037980 décrivent des compresseurs isothermesproposant une surface de transfert de chaleur plus importante dans un échangeur dechaleur. US 4 311 025, US 9 267 504 ou US 7 401 475 décrivent des dispositifs danslequel du liquide est injecté pendant les phases de compression et d’expansion pourgarder le système sensiblement isotherme. L’unité de séparation 7, agencé en aval de l’unité de compression 6, est destinée àséparer le mélange gazeux comprimé 8 pour obtenir un perméat 3 et un rétentat 4,présentant respectivement des températures T1 a et T1 b.
Lorsque le mélange gazeux 2, 8 est formé par du gaz de combustion, le perméat 3est de l’air enrichi en CO2 et le rétentat 4 est de l’air appauvri en CO2.
Pour parvenir à cette séparation, plusieurs variantes de réalisation sontenvisagées, et le cas échéant combinées, selon la présente invention.
Selon une première variante, l’unité de séparation 7 comporte un appareil deséparation membranaire 9 comme visible sur la figure 1.
De manière connue en soi, l’appareil de séparation membranaire 9 comprend unfiltre disposé transversalement ou radialement à un flux d’un mélange gazeux comprimé.Le filtre permet alors le passage sélectif de certaines molécules et l’arrêt d’autres. L’appareil de séparation membranaire 9 est à même d’opérer à des pressions demélange gazeux comprimé 8 comprises entre 7 bar et 80 bar.
Les procédés de séparation membranaire présentent habituellement unrendement élevé ainsi que des facilités de conception et de maintenance.
Selon une seconde variante, l’unité de séparation 7 comporte un appareil deséparation par adsorption.
De manière connue en soi, l’appareil de séparation par adsorption, notamment parinversion de pression, retire un composant d'un mélange gazeux comprimé en utilisant son affinité chimique et ses caractéristiques particulières vis-à-vis d'un adsorbant exposéà une oscillation de pression rigoureusement contrôlée.
Selon une troisième variante, l’unité de séparation 7 comporte un appareil deséparation membranaire et un appareil de séparation par adsorption en série entrelesquelles est agencé un compresseur. Cette variante permet notamment d’améliorerl’efficacité de la séparation. L’unité de séparation 7 ne présente pas de phénomènes dissipatifs importants, latempérature T1a du perméat 3 et la température T1b du rétentat 4 sont doncsensiblement égales à la température T1 du mélange gazeux comprimé 8.
Classiquement, le perméat 3 ou le rétentat 4 alimente une unité de combustion 10.Dans le mode de réalisation décrit, le perméat 3 alimente l’unité de combustion 10.
Avantageusement, la combustion réalisée dans l’unité de combustion 10 fait partiedu processus industriel de l’installation équipée du dispositif 1.
Le dispositif de séparation 1 comporte un circuit secondaire 11 comprenant uneunité de chauffage 12 et une machine de détente 13. L’unité de chauffage 12 est connectée à l’unité de séparation 7, qui l’alimente enfluide froid 14. Le fluide froid 14 est choisi parmi le perméat 3 ou le rétentat 4. Plusparticulièrement, l’un parmi le perméat 3 ou le rétentat 4 alimente l’unité de combustion10, et l’autre alimente l’unité de chauffage 12. Ainsi, dans le mode de réalisation décrit, lerétentat 4 forme le fluide froid 14. L’unité de chauffage 12 est destinée à augmenter la température du fluide froid 14pour obtenir un fluide chauffé 15 à une température T2 prédéterminée.
Avantageusement, l’unité de chauffage 12 comporte un échangeur de chaleur 16destiné à transférer de l'énergie thermique d’un fluide chaud 17 vers le fluide froid 14 pourobtenir le fluide chauffé 15.
Comme visible sur la figure 1, le fluide chaud 17 est formé par des gazd’échappement résultant de la combustion réalisée dans l’unité de combustion 10.
Comme cela est notamment représenté sur la figure 2, l’unité de chauffage 12maintien de préférence la pression du fluide constante.
La machine de détente 13 est destinée à utiliser l'énergie du fluide chauffé 15 pourproduire de l’énergie mécanique.
La machine de détente 13 et l’unité de compression 6 sont avantageusementmontées sur un même axe. Ainsi, l’énergie nécessaire à la compression est fournie aumoins en partie par la machine de détente 13. Préférentiellement, l’axe de la machine dedétente 13 et l’axe de l’unité de compression 6 sont liés mécaniquement.
Dans le mode de réalisation décrit, la machine de détente 13 est reliéemécaniquement à un générateur d’énergie électrique 18, permettant de manière classiquede convertir une énergie mécanique de la machine de détente 13 en une énergieélectrique.
La machine de détente 13 rejette un fluide détendu 19.
La machine de détente 13 est de préférence du type quasi isotherme, maisl’utilisation de tout autre type de machine de détente, par exemple isentropique, estpossible.
La machine de détente 13 peut par exemple être une turbine axiale ou radiale, uneturbine scroll ou à vis ou encore une machine d’expansion à piston,
Le fonctionnement du dispositif de séparation 1 selon l’invention va maintenantêtre décrit en référence à la figure 2.
La figure 2 montre un diagramme d’un cycle thermodynamique du fonctionnementdu dispositif de séparation décrit précédemment, selon un mode de réalisation del’invention. L’ordonnée de ce diagramme montre la pression P dans le circuit et l’abscissemontre le volume V dans le circuit. L’état du mélange gazeux circulant dans dispositif peut être représenté par unecourbe polygonale. Chaque ligne intermédiaire sur la courbe, située entre deux points decette courbe, représente une transformation énergétique dans le dispositif de séparation 1, c’est-à-dire que les différentes étapes parcourues lors de la conversion d’énergieélectrique sont représentées par les différents points sur la courbe polygonale de la figure 2.
Ainsi, plusieurs parties de la courbe polygonale peuvent être décrite comme suit.
Une première partie (représentée en trait plein) entre un point A et un point B dudiagramme représente la compression quasi isotherme du mélange gazeux 2 pour obtenirle mélange gazeux comprimé 8.
Une seconde partie entre le point B et un point C représente étape de séparationdu mélange gazeux. Le mélange gazeux est séparé en un rétentat (représenté en traitinterrompu sur la figure 2) et en un perméat (représenté en pointillés sur la figure 2). Il està noter que cette étape de séparation a peu d’impact sur la pression du rétentat.
Une troisième partie entre le point C et un point D représente le chauffage isobaredu fluide froid 14 (rétentat).
Une quatrième partie entre le point D et un point E représente la détente isothermedu fluide chauffé 15 (rétentat).
Par ailleurs, une cinquième partie entre le point C et un point F représentel’évolution du perméat suite à la séparation.
On notera que l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation précédemmentdécrit, mais pourrait présenter diverses variantes.
En particulier, il est possible que le dispositif de séparation 1, notamment l’unité dechauffage 16, soit alimenté en chaleur par une source de chaleur quelconque.
Par ailleurs, le dispositif 1 est apte à fonctionner avec des mélanges gazeux detypes variés.
Il apparaît clairement que l’invention présente un certain nombre d’avantages.
Le dispositif de séparation selon l’invention permet de réduire les pertes d’énergiede l’installation industrielle 20 tout en séparant un mélange gazeux.
Il est à noter que les équipements en contact thermique avec le mélange gazeuxcomprimé 8 sont moins sollicités si le mélange gazeux comprimé 8 présente unetempérature T1 relativement basse. Les exigences imposées à ces équipements sontdonc simplifiées.
Ceci est particulièrement avantageux pour l’appareil de séparation membranaire 9qui n’opère habituellement pas à des températures élevées.
Par ailleurs, en effectuant une compression isotherme et non adiabatique, lesdépenses énergétiques sont diminuées.

Claims (3)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif de séparation (1) d’un mélange gazeux (2, 8) comprenant : - une unité de compression (6) ; - une unité (7) de séparation du mélange gazeux (2, 8), destinée à produireun perméat (3) et un rétentat (4), et agencée en aval de l’unité de compression (6): caractérisé en ce que l’unité de compression (6) est conformée pour réaliser unecompression telle que la température du mélange gazeux reste sensiblement constantedurant toute cette compression, et en ce que le mélange gazeux (2, 8) est formé d’air, le perméat (3) est de l’airenrichi en oxygène et le rétentat (4) est de l’air appauvri en oxygène.
  2. 2. Dispositif de séparation (1) selon la revendication 1, dans lequel, durant lacompression, la différence entre la température du mélange gazeux à tout moment, et latempérature initiale du mélange gazeux, est inférieure à 50°C. 3. Dispositif de séparation (1) selon la revendication 1 ou 2, comprenant desmoyens d’injection d’un liquide dans l’unité de compression (6), permettant d’adjoindre unliquide au mélange gazeux dans l’unité de compression pour former un fluide diphasique,le liquide étant propre à absorber la chaleur issue de la compression pour maintenir latempérature sensiblement constante durant cette compression. 4. - Dispositif de séparation (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3,comprenant une unité de chauffage (12), connectée à l’unité de séparation (7), et unemachine de détente (13), agencée en aval de l’unité de chauffage (12). 5. - Dispositif de séparation (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que lamachine de détente (13) est configurée pour réaliser une détente telle que la températuredu mélange gazeux reste sensiblement constante durant toute la détente, notamment ladifférence entre la température du mélange gazeux à tout moment, et la température dumélange gazeux préalablement à la détente, est inférieure à 50°C. 6. -Dispositif de séparation (1) selon la revendication 4 ou 5, dans lequel lamachine de détente (13) est reliée mécaniquement à un générateur électrique (18).
  3. 7, - Dispositif de séparation (1) selon l’une quelconque des revendications 4 à 6,dans lequel l’unité de chauffage (12) comporte un échangeur de chaleur (16). 8, -Dispositif de séparation (1) selon l’une quelconque des revendicationsprécédentes, dans lequel l’unité de séparation (7) comporte un appareil de séparationmembranaire (9). 9, - Installation industrielle (20), caractérisée en ce qu’elle comporte un dispositif deséparation (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes. 10, - Installation industrielle (20) selon la revendication 9, comprenant une unité decombustion (10), connectée à l’unité de séparation (7) de sorte que le perméat (3) ou lerétentat (4) alimente l’unité de combustion (10). 11, Installation industrielle (20) selon la revendication 10, comprenant unemachine de détente agencée en aval de l’unité de combustion (10). 12, - Installation industrielle (20) selon la revendication 10 ou 11, dans lequel l’unitéde chauffage (12) est connectée à l’unité de combustion (10), de sorte que l’unité dechauffage (12) est alimentée par un gaz d’échappement issu d’une combustion réaliséedans l’unité de combustion (10). 13, - Procédé de séparation d’un mélange gazeux (2, 8), caractérisé en ce qu’il estmis en œuvre au moyen d’un dispositif de séparation (1) selon l’une quelconque desrevendications 1 à 8, et en ce qu’il comporte les étapes suivantes : - une étape de compression du mélange gazeux (2), durant laquelle latempérature du mélange gazeux reste sensiblement constante durant lacompression, pour obtenir un mélange gazeux comprimé (8); - une étape de séparation au moins partielle du mélange gazeux comprimé (8) pour obtenir un perméat (3) et un rétentat (4) ; - une étape de chauffage du perméat (3) ou du rétentat (4) ; - une étape de détente du perméat (3) ou du rétentat (4) chauffé.
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