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FR3150579A1 - Procédé et appareil de séparation d’un mélange contenant du CO2 par condensation partielle et/ou distillation - Google Patents

Procédé et appareil de séparation d’un mélange contenant du CO2 par condensation partielle et/ou distillation Download PDF

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FR3150579A1
FR3150579A1 FR2306794A FR2306794A FR3150579A1 FR 3150579 A1 FR3150579 A1 FR 3150579A1 FR 2306794 A FR2306794 A FR 2306794A FR 2306794 A FR2306794 A FR 2306794A FR 3150579 A1 FR3150579 A1 FR 3150579A1
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during
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FR2306794A
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Pascal Marty
Michele MURINO
Laurette MADELAINE
Ludovic Granados
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

Titre de l’invention : Procédé et appareil de séparation d’un mélange contenant du CO2 par condensation partielle et/ou distillation Dans un procédé de séparation d’un mélange gazeux contenant du CO2, de l’azote et de l’oxygène, le mélange gazeux comprimé, refroidi et séché (11) est séparé  par condensation partielle et/ou distillation (CC) formant un fluide (21) riche en CO2 et/ou un gaz riche en CO2, pendant un premier mode d’opération, un flux qui est une partie du débit comprimé, refroidi et séché (23) est envoyé à une capacité-tampon (B) et stocké et pendant un deuxième mode d’opération, un débit gazeux (31) stocké dans la capacité-tampon (B) est envoyé en amont de l’unité de lavage. Figure d’abrégé : Fig. 2

Description

Procédé et appareil de séparation d’un mélange contenant du CO2 par condensation partielle et/ou distillation
La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d’un mélange contenant du CO2 par condensation partielle et/ou distillation.
Le mélange contient du CO2, de l’azote, de l’oxygène, éventuellement de l’argon, possiblement de l’eau.
Le procédé produit un gaz riche en CO2, contenant au moins 80% mol de CO2, voire au moins 95% mol de CO2 et/ou un liquide riche en CO2, contenant au moins 80% mol de CO2, voire au moins 95% mol de CO2.
Certains procédés de capture de CO2, notamment les procédés cryogéniques, doivent préférablement fonctionner en continu et si possible avec des fluctuations limitées de débits et de masse molaire.
Afin d’homogénéiser les compositions et de moyenner les débits de gaz alimentant de telles unités, la solution habituelle consiste à mettre en place un gazomètre: les gaz (à débit et composition variables) sont stockés pendant un certain temps (appelé « temps de résidence ») dans une enceinte, telle qu’un gazomètre, qui peut être à volume ou à pression variables, pour éventuellement assurer un mélange plus homogène, en général à basse pression (c’est-à-dire, proche de la pression atmosphérique) et un débit moyenné alimentant l’unité de capture de CO2 qui est soutiré en continu. On s’assurera que les différents gaz alimentant le gazomètre seront convenablement mélangés par le positionnement et l'orientation d’entrées/sorties des gaz judicieux ou des recirculations ou des conceptions spécifiques de cannes d'injection.
Les cimenteries de type à fours à flux parallèles à régénération ou PFRK (en anglais « Parallel Flow Regenerative Kilns ») opèrent selon un procédé cyclique fonctionnant par paire de fours, un four étant en mode production de chaux, le second étant en mode de régénération, des fumées de compositions et de débits différents étant émises lors d’un cycle et le CO2 devant être capté sur les fumées générées par le procédé :
[TAB.1]
Fonctionnement nominal
Débit fumées Nm3/h 33,000
Température d’opération / max ℃ 120°C
Pression bara atm
Composition pendant Nominal
CO2 mol% 22.9
H2O mol% 6.5
O2 mol% 8.4
N2 mol% 61.3
Ar mol% 0.7
Temps de production minutes 13
Temps d’inversion minutes 1
Si le CO2 des fumées n’est pas capté pendant le temps d’inversion (c’est à dire que les fumées n’alimentent pas l’unité de CC pendant 1 minute toutes les 14 minutes), un premier calcul définit qu’un volume de stockage “utile” ou “déplacé” à Patmd’environ 500 m3pour le cas nominal ci-dessus est nécessaire (gazomètre). L’absence des fumées peut éventuellement durer moins d’une minute, par exemple de l’ordre d’une dizaine de secondes mais perturbe néanmoins le fonctionnement de l’unité de séparation par condensation partielle et/ou distillation CC.
illustre un procédé de purification de CO2 utilisant une unité de préconcentration A pouvant séparer un gaz par adsorption ou perméation et un procédé par condensation partielle et/ou distillation CC. Un gaz 1 à pression atmosphérique et une température de 120°C contenant du CO2, de l’azote, de l’oxygène, de l’argon ainsi que d’impuretés telles que le NOxet/ou le SOxest comprimé dans un compresseur C1 formant un gaz comprimé 3, lavé avec de l’eau 4 et/ou un composant basique dans une unité de lavage Q pour enlever les impuretés telles que le NOxet le SOx. Le gaz lavé 5 est chauffé dans un réchauffeur H et envoyé à un compresseur C2 où il est comprimé formant un gaz comprimé 8, refroidi dans un refroidisseur R formant un gaz refroidi 9, séché dans un sécheur D par exemple par adsorption à bascule de température et envoyé comme gaz séché 11 à une unité de préconcentration, par exemple unité de séparation A par adsorption à bascule de pression produisant un gaz 13 enrichi en azote et appauvri en CO2et un gaz 15 enrichi en CO2et appauvri en azote. Le gaz 13 est comprimé dans un compresseur C3 formant un gaz 17, est refroidi et puis séparé par condensation partielle et/ou distillation formant un liquide riche en CO2, contenant au moins 80% mol de CO2.
Le gaz 1 provient d’une source de fumées ne fonctionnant pas de manière permanente. Pour alimenter les unités de séparation A, CC pendant les périodes où le gaz n’est pas disponible, une partie 6 du gaz réchauffé dans le réchauffeur H est envoyée à un gazomètre G pendant que le gaz 1 est disponible et stocké. Pendant que le gaz 1, 6 n’est pas disponible, c’est le gazomètre G qui envoie du gaz au compresseur C2.
Un procédé similaire est connu de WO2006/106253 et EP-A-341879.
Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation d’un mélange gazeux contenant du CO2, de l’azote et de l’oxygène dans lequel :
i. Le mélange est épuré par lavage à l’eau dans une unité de lavage produisant un débit épuré contenant de l’eau,
ii. Le débit épuré est comprimé dans un compresseur pour former un débit comprimé puis, refroidi et séché formant un débit comprimé, refroidi et séché
iii. Au moins une partie du débit comprimé, refroidi et séché est séparé par condensation partielle et/ou distillation formant un liquide riche en CO2 et/ou un gaz riche en CO2
dans lequel pendant un premier mode d’opération le mélange gazeux a un débit D et une masse molaire en CO2 de C et un flux qui est une partie
  1. Du débit comprimé et/ou
  2. Du débit comprimé, refroidi et séché et/ou
  3. Du gaz riche en CO2 et/ou
  4. Du gaz enrichi en CO2 et/ou
  5. Du liquide riche en CO2 provenant de la condensation partielle et/ou de la distillation qui a été vaporisé
est envoyé à une capacité-tampon et stocké et
dans lequel pendant un deuxième mode d’opération, le mélange gazeux a un débit inférieur à D, voire nul et/ou une masse molaire en CO2 inférieure à C et un débit gazeux stocké dans la capacité-tampon est envoyé en amont de l’unité de lavage ou en amont du compresseur du débit épuré ou en amont de l’unité de condensation partielle et/ou distillation.
Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation d’un mélange gazeux contenant du CO2, de l’azote et de l’oxygène dans lequel :
i. Le mélange est épuré par lavage à l’eau dans une unité de lavage produisant un débit épuré contenant de l’eau,
ii. Le débit épuré est comprimé dans un compresseur pour former un débit comprimé puis, refroidi et séché formant un débit comprimé, refroidi et séché
iii. Au moins une partie du débit comprimé, refroidi et séché est séparé par adsorption ou perméation dans une unité de préconcentration formant un gaz enrichi en azote et appauvri en CO2 et un gaz enrichi en CO2 et appauvri en azote,
iv. Le gaz enrichi en CO2 est éventuellement comprimé, éventuellement refroidi et ensuite séparé par condensation partielle et/ou distillation dans une unité de condensation partielle et/ou distillation formant un liquide riche en CO2 et/ou un gaz riche en CO2dans lequel pendant un premier mode d’opération le mélange gazeux a un débit D et une masse molaire en CO2 de C et un flux qui est une partie
  1. Du débit comprimé et/ou
  2. Du débit comprimé, refroidi et séché et/ou
  3. Du gaz enrichi en CO2 et/ou
  4. Du gaz riche en CO2 et/ou
  5. Du liquide riche en CO2 provenant de la condensation partielle et/ou de la distillation qui a été vaporisé
est envoyé à une capacité-tampon et stocké et
dans lequel pendant un deuxième mode d’opération, le mélange gazeux a un débit inférieur à D, voire nul et/ou une masse molaire en CO2 inférieure à C et un débit gazeux stocké dans la capacité-tampon est envoyé en amont de l’unité de lavage ou en amont du compresseur du débit épuré ou en amont de l’unité de condensation partielle et/ou distillation et en aval de l’unité de préconcentration.
Selon d’autres aspects optionnels :
  • la capacité-tampon stocke le gaz pendant le premier mode d’opération à une pression supérieure à 6 bars abs, voire au moins égale à 8 bars abs et de préférence inférieure à 30 bars abs.
  • pendant le deuxième mode d’opération, le débit gazeux stocké dans la capacité-tampon est détendu avant d’être envoyé en amont de l’unité de lavage ou en amont du compresseur du débit épuré ou en amont de l’unité de condensation partielle et/ou distillation et éventuellement en aval de l’unité de préconcentration.
  • pendant le premier mode d’opération, le flux destiné à la capacité tampon est réchauffé en amont de la capacité tampon.
  • la capacité tampon stocke le gaz à une température supérieure à 80°C.
  • la température dans la capacité tampon est régulée pendant le deuxième mode d’opération pour maintenir la température au-dessus d’un seuil.
  • pendant le premier mode d’opération un flux qui est une partie du débit comprimé, refroidi et séché est envoyé à la capacité-tampon et stocké.
  • pendant le premier mode d’opération, aucun gaz ne sort de la capacité-tampon pour être séparé dans l’unité de préconcentration, si présent, ou l’unité de condensation partielle et/ou de distillation.
  • pendant le deuxième mode d’opération, aucun gaz n’est envoyé à la capacité-tampon.
  • pendant le deuxième mode d’opération, la capacité tampon se dépressurise, de préférence jusqu’à la pression atmosphérique.
  • pendant le premier mode d’opération, la capacité tampon stocke du gaz à la pression d’entrée de l’unité de préconcentration.
  • pendant le premier mode d’opération, la capacité tampon stocke du gaz à la pression d’entrée de l’unité de séparation par condensation partielle et/ou distillation.
  • pendant un deuxième mode d’opération, le mélange gazeux a un débit inférieur à D, voire nul et/ou une masse molaire en CO2 inférieure à T, un débit gazeux stocké dans la capacité-tampon est envoyé en amont de l’unité de lavage.
  • pendant un deuxième mode d’opération, le mélange gazeux a un débit inférieur à D, voire nul et/ou une masse molaire en CO2 inférieure à T, un débit gazeux stocké dans la capacité-tampon est envoyé en amont du compresseur du débit épuré.
  • pendant un deuxième mode d’opération, le mélange gazeux a un débit inférieur à D, voire nul et/ou une masse molaire en CO2 inférieure à T et un débit gazeux stocké dans la capacité-tampon est envoyé en amont de l’unité de condensation partielle et/ou distillation et en aval du sécheur.
  • pendant un deuxième mode d’opération, le mélange gazeux a un débit inférieur à D, voire nul et/ou une masse molaire en CO2 inférieure à T, et un débit gazeux stocké dans la capacité-tampon est envoyé en amont de l’unité de condensation partielle et/ou distillation et en aval de l’unité de préconcentration.
  • l’unité de préconcentration fonctionne par adsorption à bascule de pression
  • l’unité de préconcentration fonctionne par perméation utilisant au moins une étape de perméation membranaire fonctionnant à une température ambiante ou en dessous de 0°C.
  • un envoi de gaz d’une source plus riche en CO2 que le gaz stocké dans la capacité tampon est déclenché si la teneur en CO2 dans la capacité tampon tombe en dessous d’un seuil.
  • on envoie du gaz enrichi en CO2 et/ou du gaz riche en CO2 et/ou du liquide riche en CO2 provenant de la condensation partielle et/ou de la distillation qui a été vaporisé à la capacité-tampon si, de préférence, seulement si la teneur en CO2 dans la capacité tampon tombe en dessous d’un seuil.
Selon un autre objet de l’invention, il est un prévu un appareil de séparation d’un mélange gazeux contenant du CO2, de l’azote et de l’oxygène comprenant une unité de lavage, un compresseur, une unité de séparation par condensation partielle et/ou distillation, une capacité tampon, des moyens pour envoyer le mélange être épuré par lavage à l’eau dans l’unité de lavage produisant un débit épuré contenant de l’eau, des moyens pour envoyer le débit épuré être comprimé dans le compresseur pour former un débit comprimé, des moyens pour refroidir le débit comprimé, des moyens pour sécher le débit comprimé et refroidi, des moyens pour envoyer au moins une partie du débit comprimé, refroidi et séché être séparé par condensation partielle et/ou distillation dans l’unité de séparation formant un liquide riche en CO2 et/ou un gaz riche en CO2, des moyens pour envoyer un flux qui est une partie
  1. Du débit comprimé et/ou
  2. Du débit comprimé, refroidi et séché et/ou
  3. Du gaz riche en CO2 et/ou
  4. Du liquide riche en CO2 provenant de la condensation partielle et/ou de la distillation qui a été vaporisé à la capacité-tampon
pour être stocké et des moyens
pour envoyer un débit gazeux stocké dans la capacité-tampon en amont de l’unité de lavage ou en amont du compresseur du débit épuré ou en amont de l’unité de condensation partielle et/ou distillation.
Selon un autre objet de l’invention, il est un prévu un appareil de séparation d’un mélange gazeux contenant du CO2, de l’azote et de l’oxygène comprenant une unité de lavage, un compresseur, une unité de préconcentration, une unité de séparation par condensation partielle et/ou distillation, une capacité tampon, des moyens pour envoyer le mélange être épuré par lavage à l’eau dans l’unité de lavage produisant un débit épuré contenant de l’eau, des moyens pour envoyer le débit épuré être comprimé dans le compresseur pour former un débit comprimé, des moyens pour refroidir le débit comprimé, des moyens pour sécher le débit comprimé et refroidi, des moyens pour envoyer au moins une partie du débit comprimé, refroidi et séché être séparé dans l’unité de préconcentration formant un gaz enrichi en azote et appauvri en CO2 et un gaz enrichi en CO2 et appauvri en azote, des moyens pour envoyer le gaz enrichi en CO2 éventuellement comprimé, éventuellement refroidi pour être séparé par condensation partielle et/ou distillation dans l’unité de séparation par condensation partielle et/ou distillation formant un liquide riche en CO2 et/ou un gaz riche en CO2, des moyens pour envoyer un flux qui est une partie
  1. Du débit comprimé et/ou
  2. Du débit comprimé, refroidi et séché et/ou
  3. Du gaz enrichi en CO2 et/ou
  4. Du gaz riche en CO2 et/ou
  5. Du liquide riche en CO2 provenant de la condensation partielle et/ou de la distillation qui a été vaporisé
à la capacité-tampon pour être stocké et des moyens pour envoyer
un débit gazeux stocké dans la capacité-tampon en amont de l’unité de lavage ou en amont du compresseur du débit épuré ou en amont de l’unité de condensation partielle et/ou distillation et en aval de l’unité de préconcentration.
De préférence l’appareil comprend un débitmètre pour mesurer le débit du mélange gazeux 1, 5, 7 à au moins un point du procédé.
De préférence l’appareil comprend un analyseur pour détecter la masse molaire en CO2 du débit du mélange gazeux 1, 5, 7 à au moins un point du procédé
De préférence, l’appareil comprend une unité de régulation capable d’envoyer le flux
à la capacité-tampon en fonction du débit et/ou de la masse molaire du mélange gazeux.
De préférence, l’appareil comprend une unité de régulation capable d’envoyer un gaz depuis
la capacité-tampon en amont de l’unité de lavage ou en amont du compresseur du débit épuré ou en amont de l’unité de condensation partielle et/ou distillation et en aval de l’unité de préconcentration.
en fonction du débit et/ou de la masse molaire du mélange gazeux.
L’appareil peut comprendre un analyseur du gaz dans la capacité tampon et des moyens pour déclencher un envoi de gaz d’une source plus riche en CO2 que le gaz stocké dans la capacité tampon si la teneur en CO2 dans la capacité tampon tombe en dessous d’un seuil.
L’innovation proposée consiste à s'affranchir du gazomètre basse pression G de la en mettant en place une capacité tampon à une pression P2 supérieure à la pression atmosphérique P1 alimentée par au moins un gaz de charge disponible à ladite pression P2 et en alimentant l’unité de séparation par condensation partielle et/ou distillation CC par dépressurisation de la capacité tampon au moment le plus opportun.
T1= durée de remplissage de la CT
T2= durée de disponibilité d’au moins un gaz de charge aux caractéristiques CAR2 (débit D2, composition C2…) et à la pression P2 de la capacité tampon CT
T3= durée de non disponibilité du gaz de charge aux caractéristiques CAR2 (c’est à dire présentant des caractéristiques CAR3 (ie débit D3, composition C3…) différentes de CAR2)
La capacité tampon sera alimentée par un pourcentage du débit de gaz de charge aux caractéristiques CAR2 pendant une durée T1 inférieure ou égale à T2. Le pourcentage de gaz de charge restant pourra alimenter l’unité de séparation par condensation partielle et/ou distillation CC. La capacité tampon sera dépressurisée pour alimenter l’unité de séparation par condensation partielle et/ou distillation CC pendant un temps au moins égal à T3.
Plusieurs gaz à décarboner peuvent intervenir dans le remplissage et la vidange de la capacité tampon.
Lors de la dépressurisation du gaz stocké dans la capacité tampon, les températures du gaz et de la capacité tampon vont décroitre. En conséquence, il faudra éviter les risques de gel de l’eau et du CO2.
L’invention sera décrite en manière plus détaillée en se référant aux figures où :
représente un procédé selon l’invention.
représente un procédé selon l’invention.
représente un procédé selon l’invention.
représente un procédé selon l’invention dans lequel le gaz 1 est constitué par des fumées, qui ne sont pas toujours disponibles ou ne sont pas toujours disponibles avec le même débit et/ou la même masse molaire en CO2. Par exemple, les fumées peuvent venir d’une cimenterie où aucune fumée n’est disponible pendant l’inversion des fours, c’est-à-dire pendant environ une minute.
Le gaz 1 peut provenir d’au moins deux sources différentes, ayant éventuellement des débits et/ou des masses molaires en CO2 différents.
On note l’absence du gazomètre G en amont du compresseur C2.
Le gaz 1 à pression atmosphérique et une température de 120°C contenant entre 20 et 25% mol CO2, de l’azote, de l’oxygène ainsi que d’impuretés telles que le NOxet/ou le SOxest comprimé jusqu’à environ 8 bars dans un compresseur C1 formant un gaz comprimé 3, lavé avec de l’eau 4 et/ou un composant basique dans une unité de lavage Q pour enlever les impuretés telles que le NOxet le SOx. Le gaz lavé 5 est chauffé dans un réchauffeur H et envoyé à un compresseur C2 où il est comprimé formant un gaz comprimé 8 à une pression supérieure à 6 bars abs, refroidi dans un refroidisseur R formant un gaz refroidi 9, séché dans un sécheur D par exemple par adsorption à bascule de température et envoyé comme gaz séché 11 selon cette première variante à une unité de préconcentration optionnelle A qui effectue une séparation par exemple par adsorption à bascule de pression ou par perméation produisant un gaz 13 enrichi en azote et appauvri en CO2et un gaz 15 enrichi en CO2et appauvri en azote. Le gaz 15 enrichi en CO2 est comprimé dans un compresseur C3 formant un gaz 17, est refroidi et puis séparé par condensation partielle et/ou distillation formant un gaz riche en CO2, contenant au moins 80% mol de CO2et/ou un liquide riche en CO2, contenant au moins 80% mol de CO2.
Pendant un premier mode d’opération, le gaz 1 est disponible avec un débit D et une concentration en CO2 en% mol C. Le procédé produit un gaz riche en CO2, contenant au moins 80% mol de CO2, voire au moins 95% mol de CO2 et/ou un liquide 21 riche en CO2, contenant au moins 80% mol de CO2, voire au moins 95% mol de CO2. Pendant ce premier mode, une capacité tampon B est remplie en prenant une partie 23, 26, 29 du gaz 1, 5 en aval du compresseur C2 et/ou une partie 21, 27 d’un gaz enrichi en CO2 par rapport aux gaz 1, 5, par exemple le gaz 25 et/ou le gaz 27.
Plusieurs emplacements sont possibles pour dériver ce gaz vers la capacité tampon B selon l’invention:
  • En sortie des étages de compression intermédiaires C2 du gaz 5 en amont du séchage et du refroidisseur R (flux 26) ou après compression dans C3 du gaz 15 (flux 27).
  • En sortie des refroidisseurs d’étages intermédiaires ou du refroidisseur final R du compresseur C2 (flux 29).
  • En aval de sécheurs D pour disposer d’un gaz comprimé sec (flux 23, cette variante étant la plus préférable).
L’usage des gaz 25, 27 sera décrit plus loin.
Il est également possible de dériver le gaz vers la capacité tampon B d’un point en aval de l’unité de préconcentration, prenant par exemple le gaz 27 enrichi en CO2 avant ou après la compression dans le compresseur C3.
Il est également possible de dériver le gaz vers la capacité tampon B en prenant un gaz et/ou en vaporisant un liquide 21 enrichi en CO2 ou riche en CO2 dans l’unité de condensation partielle et/ou de distillation.
Le gaz alimentant la capacité tampon peut venir de plusieurs points différents.
La capacité tampon B sera pressurisée pendant T1=13 minutes par un débit constituant 1/13 du débit du gaz de charge 1 pendant le premier mode d’opération puis dépressurisée pendant le deuxième mode d’opération pendant T3=1 minute (par exemple, pendant le temps d'inversion des fours, si le gaz 1 vient d’une cimenterie) afin de maintenir un débit d’alimentation sensiblement constant vers l’unité de séparation par condensation partielle et/ou distillation CC.
Le volume de la capacité tampon B nécessaire à 20°C, 8 bar est de 60 m3(bien inférieur au volume de gazomètre G de 500 m3, Patmde la ).
Dans cet exemple de la , le gaz est stocké dans la capacité tampon B à la pression d’entrée de l’unité de préconcentration A, par exemple une unité de séparation par adsorption A par PSA (entre 60 et 30 bars abs, 8 bars abs par exemple) ou une unité de séparation par perméation, la perméation utilisant par exemple au moins une étape de perméation membranaire fonctionnant à une température ambiante ou en dessous de 0°C.
Pendant le deuxième mode d’opération, le gaz 1 n’est pas disponible et le gaz 31 déstocké de la capacité tampon B alimente le compresseur C1 de fumées 31 qui remplacent le gaz 1 afin de maintenir en opération continue l’ensemble du compresseur C1, de l’unité de lavage Q et de compression dans le compresseur C2.
Le gaz constituant le flux 31 peut être envoyé à la tour de lavage Q comme débit 4 et/ou en amont du compresseur C2 et en aval de la tour de lavage Q comme débit 32 et/ou à un étage intermédiaire du compresseur C2 comme débit 33.
Il est à noter que lors de la dépressurisation du gaz stocké dans la capacité tampon B de 8 bars à une pression inférieure, par exemple la Patm, les températures du gaz 31 et de la capacité tampon B vont décroitre (environ 1.2°C/sec), soit une baisse de température d’environ 70°C à l’entrée du compresseur C1. En conséquence, pour éviter les risques de gel de l’eau et du CO2, il sera préférable de stocker un gaz sec 23 pris en aval du sécheur D de préférence préchauffé dans un réchauffeur dédié H.
On peut ainsi concevoir une température de préchauffage du gaz stocké de 100°C (soit une capacité de stockage qui passe de 60 m3à 100 m3) au début de la dépressurisation permettant d’atteindre 20°C en fin de dépressurisation afin de limiter les variations de températures en entrée du compresseur C1.
Au fur et à mesure de la pressurisation de la capacité tampon B, la température va augmenter: il sera nécessaire de réguler la température de préchauffage par le réchauffeur H du gaz 23 alimentant la capacité tampon B pour maintenir une température de 100°C en fond de la capacité tampon B au moyen d’un moyen de régulation TIC.
Il sera donc préférable de stocker un gaz sec (le gaz 23 de la sortie du sécheur D par exemple) et/ou de maintenir une température suffisamment haute dans la capacité tampon B (via un préchauffeur H par exemple) pour éviter de gel de l’eau et/ou du CO2pendant la dépressurisation de la capacité tampon B. On évitera aussi ainsi les risques de formation de condensats acides (en présence de SOxdans le gaz 1 notamment). La température dans la capacité tampon B pourra être contrôlée par le taux de préchauffage du réchauffeur H.
Il sera remarqué que le préchauffeur H peut servir à chauffer n’importe lequel débit 21, 23, 26, 27, 29 et peut chauffer un mélange d’au moins deux de ces gaz.
Selon une deuxième variante, soit l’unité de préconcentration A soit le compresseur C ne sont pas présents, par exemple dans le cas d’une cimenterie fonctionnant par oxycombustion.
En l’absence de l’unité de préconcentration, le gaz séché 11 est envoyé directement du sécheur D à l’unité de séparation par condensation partielle et/ou distillation et/ou solidification CC pour être séparé.
Dans ce cas, sans unité de préconcentration P, le mélange 1 est épuré par lavage à l’eau dans une unité de lavage Q produisant un débit épuré 5 contenant de l’eau, le débit épuré est comprimé dans un compresseur C2 pour former un débit comprimé puis, refroidi et séché formant un débit comprimé, refroidi et séché, au moins une partie 11 du débit comprimé, refroidi et séché est séparé par condensation partielle et/ou distillation CC formant un gaz enrichi en azote et appauvri en CO2 et un gaz enrichi en CO2 et appauvri en azote dans une unité de condensation partielle et/ou distillation formant un liquide riche en CO2 et/ou un gaz riche en CO2.
Pendant un premier mode d’opération le mélange gazeux a un débit D et une masse molaire en CO2 de C et un flux qui est une partie du débit comprimé 1 et/ou du débit comprimé, refroidi et séché 11 et/ou du gaz riche en CO2 et/ou du gaz enrichi en CO2 et/ou du liquide riche en CO2 provenant de la condensation partielle et/ou de la distillation qui a été vaporisé est envoyé à une capacité-tampon B et stocké.
Pendant un deuxième mode d’opération, le mélange gazeux 1 a un débit inférieur à D, voire nul et/ou une masse molaire en CO2 inférieure à C et un débit gazeux stocké dans la capacité-tampon B est envoyé en amont de l’unité de lavage Q ou en amont du compresseur C1 du débit épuré ou en amont de l’unité de condensation partielle et/ou distillation.
Dans le cas (avec ou sans préconcentration) où un débit de gaz 1 est toujours disponible pendant le deuxième mode d’opération mais avec des caractéristiques (par exemple de débit et/ou de composition) fluctuantes et en supposant que le compresseur C1 et l’unité de lavage Q peuvent gérer les fluctuations (ou une situation d’opération intermittente si le débit de fumées 1 est disponible ponctuellement pendant un certain temps), on pourra dépressuriser la capacité tampon B et envoyer du gaz qu’elle stocke vers l’entrée du compresseur de fumées C1 (préférablement) comme dans la ou en amont du compresseur C2 ou à un inter-étage du compresseur C2, comme illustré à la , pour le débit 33.
La montre une variante de la dans lequel le gaz 31 de la capacité tampon B est détendu jusqu’à la pression de sortie du compresseur C1 et est envoyé à la tour de lavage Q comme débit 4 ou en amont du compresseur C2 comme débit 32.
Dans ce cas, la détente du débit 31 sera moindre et moins de chauffage sera requis du préchauffeur H pour compenser le froid généré par la détente.
La montre que l’envoi des débits 21, 27 enrichis en CO2 et/ou riche en CO2 est régulé par un analyseur de la concentration en CO2 CONC qui détecte la concentration en CO2 du gaz dans la capacité tampon. De cette façon il est possible de compenser une baisse de concentration en CO2 du gaz 1. Il est possible d’utiliser les gaz 21, 27 pour alimenter la capacité tampon seulement dans le cas où la concentration en CO2 du gaz dans la capacité tampon baisse.
L’appareil comprend également un appareil TIC pour mesurer la température du gaz dans la capacité tampon et de réguler le fonctionnement du préchauffeur H pour maintenir la température dans la capacité tampon B à une valeur donnée.
Pour la deuxième variante où l’unité de préconcentration A et le compresseur C3 sont absents, un gaz enrichi en CO2 et/ou un liquide vaporisé enrichi en CO2 peut être envoyé à la capacité-tampon B pour augmenter sa masse molaire en CO2.
La montre un procédé selon l’invention selon la première variante avec préconcentration A et compresseur C3, dans lequel la capacité tampon B est alimenté par du gaz 23 pris en aval du sécheur D, comme pour les figures 2 et 3.
Pour lisser les fluctuations de composition vers l’unité de séparation par condensation partielle et/ou distillation CC, on aura aussi la possibilité de pressuriser la capacité tampon B avec des gaz complémentaires, plus riches en CO2que les gaz 1, 5, 23, 26, 29, tels que le résiduaire 27 de l’unité d’adsorption A ou du liquide riche en CO221 produit par l’unité CC et vaporisé dans un vaporiseur V. Ainsi comme on voit dans les Figures 2,3 et 4 un flux 25 du vaporiseur V amène un gaz riche en CO2 vers la capacité tampon B. L’envoi de ce gaz vers la capacité tampon B est déclenché en fonction de la concentration en CO2 du gaz dans la capacité tampon B mesuré par l’analyseur CONC en ouvrant une vanne pour laisser passer le flux 25. Si la masse molaire en CO2 passe en dessous de la valeur C de la masse molaire en CO2 du gaz 1 pendant le premier mode, l’envoi de gaz 25 et/ou 27 est déclenché pour enrichir le gaz stocké en CO2.
On peut aussi envisager de dépressuriser la capacité tampon B à l’entrée de l’unité de séparation par condensation partielle et/ou distillation CC pour limiter les fluctuations qu’elle peut avoir à gérer. Ainsi le débit 34 est envoyé depuis la capacité B à l’entrée du compresseur C3 pour alimenter l’unité CC.
Pour la gestion des fluctuations à l’entrée de l’unité d’adsorption A, pendant le deuxième mode d’opération, on peut envisager de recycler tout ou partie 33 du gaz enrichi en CO215 à l’unité d’adsorption A pour augmenter son débit en entrée et sa masse molaire en CO2.
Pour toutes les figures 2 à 4, la capacité tampon B n’est pas alimentée en gaz pendant le deuxième mode d’opération et aucun gaz ne sort de la capacité tampon B pour être envoyé à la séparation dans les unités A ou CC pendant le premier mode d’opération.
La capacité tampon ne stocke pas de liquide.
Dans le cas de la , on remarque que le préchauffeur n’est pas présent pour chauffer le gaz 23 destiné à la capacité-tampon. Comme la capacité tampon fournit dans ce cas du gaz 34 à pression relativement élevée après la détente dans la vanne, moins de froid est généré et le préchauffeur H n’est pas essentiel. Par contre il peut néanmoins être présent pour chauffer le débit 23 ou un autre gaz alimentant la capacité tampon, par exemple le débit 27 venant du compresseur C3 et/ou du vaporiseur V de liquide riche en CO2 venant de la séparation CC.
Dans toutes les figures, il peut être nécessaire de recycler une partie 33 du gaz appauvri en CO2 15 en amont de l’unité de préconcentration A pour s’y séparer et ainsi compenser une baisse de débit dans le gaz venant du sécheur D.
Le procédé et l’appareil décrits ici pourrait s’appliquer au cas où la séparation de l’unité CC est faite au moins en partie par adsorption à bascule de pression ou par perméation.
Les figures n’illustrant pas de débitmètre pour mesurer le débit du mélange gazeux 1, 5, 7 à au moins un point du procédé et d’un analyseur pour détecter la masse molaire en CO2 du débit du mélange gazeux 1, 5, 7 à au moins un point du procédé.
L’appareil peut comprendre une unité de régulation capable d’envoyer le flux
à la capacité-tampon en fonction du débit et/ou de la masse molaire du mélange gazeux.
L’appareil comprend une unité de régulation capable d’envoyer un gaz depuis
la capacité-tampon en amont de l’unité de lavage ou en amont du compresseur du débit épuré ou en amont de l’unité de condensation partielle et/ou distillation et en aval de l’unité de préconcentration.
en fonction du débit et/ou de la masse molaire du mélange gazeux.
Sinon l’envoi de flux et/ou de gaz peut être déclenché manuellement.

Claims (18)

  1. Procédé de séparation d’un mélange gazeux contenant du CO2, de l’azote et de l’oxygène dans lequel :
    1. Le mélange (1) est épuré par lavage à l’eau dans une unité de lavage (Q) produisant un débit épuré (5) contenant de l’eau,
    2. Le débit épuré est comprimé dans un compresseur (C2) pour former un débit comprimé puis, refroidi et séché (D) formant un débit comprimé, refroidi et séché (11)
    3. Au moins une partie (17) du débit comprimé, refroidi et séché est séparé
    par condensation partielle et/ou distillation (CC) formant un liquide (21) riche en CO2 et/ou un gaz riche en CO2
    dans lequel pendant un premier mode d’opération le mélange gazeux a un débit D et une masse molaire en CO2 de C et un flux qui est une partie
    1. Du débit comprimé (26, 29) et/ou
    2. Du débit comprimé, refroidi et séché (23) et/ou
    3. Du gaz riche en CO2 et/ou
    4. Du liquide riche en CO2 (21) provenant de la condensation partielle et/ou de la distillation qui a été vaporisé
    est envoyé à une capacité-tampon (B) et stocké et
    dans lequel pendant un deuxième mode d’opération, le mélange gazeux (1) a un débit inférieur à D, voire nul et/ou une masse molaire en CO2 inférieure à C et un débit gazeux (4,31, 32, 33, 34) stocké dans la capacité-tampon (B) est envoyé en amont de l’unité de lavage ou en amont du compresseur du débit épuré ou en amont de l’unité de condensation partielle et/ou distillation.
  2. Procédé de séparation d’un mélange gazeux (1) contenant du CO2, de l’azote et de l’oxygène dans lequel :
    1. Le mélange est épuré par lavage à l’eau dans une unité de lavage (Q) produisant un débit épuré (5) contenant de l’eau,
    2. Le débit épuré est comprimé dans un compresseur (C2) pour former un débit comprimé puis, refroidi et séché formant un débit comprimé, refroidi et séché (11)
    3. Au moins une partie du débit comprimé, refroidi et séché est séparé par adsorption ou perméation dans une unité de préconcentration (A) formant un gaz enrichi en azote et appauvri en CO2 (13) et un gaz enrichi en CO2 et appauvri en azote (15),
    4. Le gaz enrichi en CO2 est éventuellement comprimé, éventuellement refroidi et ensuite séparé par condensation partielle et/ou distillation dans une unité de condensation partielle et/ou distillation (CC) formant un liquide riche en CO2 (21) et/ou un gaz riche en CO2
    dans lequel pendant un premier mode d’opération le mélange gazeux a un débit D et une masse molaire en CO2 de C et un flux qui est une partie
    1. Du débit comprimé (26, 29) et/ou
    2. Du débit comprimé, refroidi et séché (23) et/ou
    3. Du gaz enrichi en CO2 (27) et/ou
    4. Du gaz riche en CO2 et/ou
    5. Du liquide riche en CO2 (21) provenant de la condensation partielle et/ou de la distillation qui a été vaporisé
    est envoyé à une capacité-tampon (B) et stocké et
    dans lequel pendant un deuxième mode d’opération, le mélange gazeux a un débit inférieur à D, voire nul et/ou une masse molaire en CO2 inférieure à C et un débit gazeux stocké (4, 31, 32, 33, 34) dans la capacité-tampon est envoyé en amont de l’unité de lavage ou en amont du compresseur du débit épuré ou en amont de l’unité de condensation partielle et/ou distillation et en aval de l’unité de préconcentration.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel la capacité-tampon (B) stocke le gaz (26, 29, 23, 27, 21) pendant le premier mode d’opération à une pression supérieure à 6 bars abs, voire au moins égale à 8 bars abs et de préférence inférieure à 30 bars abs.
  4. Procédé selon l’une des revendications précédentes pendant le deuxième mode d’opération, le débit gazeux (3, 31, 33) stocké dans la capacité-tampon est détendu avant d’être envoyé en amont de l’unité de lavage (Q) ou en amont du compresseur du débit épuré (C2) ou en amont de l’unité de condensation partielle et/ou distillation (CC) et éventuellement en aval de l’unité de préconcentration (A).
  5. Procédé selon l’une des revendications précédentes pendant le premier mode d’opération, le flux (26, 29, 23, 27, 21) destiné à la capacité tampon (B) est réchauffé en amont de la capacité tampon.
  6. Procédé selon la revendication 4 dans lequel la capacité tampon (B) stocke le gaz (26, 29, 23, 27, 21) à une température supérieure à 80°C.
  7. Procédé selon l’une des revendication 4 ou 5 dans lequel la température dans la capacité tampon (B) est régulée pendant le deuxième mode d’opération pour maintenir la température au-dessus d’un seuil.
  8. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel pendant le premier mode d’opération un flux (23) qui est une partie du débit comprimé, refroidi et séché est envoyé à la capacité-tampon (B) et stocké.
  9. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel pendant le premier mode d’opération, aucun gaz ne sort de la capacité-tampon (B) pour être séparé dans l’unité de préconcentration (A), si présent, ou l’unité de condensation partielle et/ou de distillation (CC).
  10. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel pendant le deuxième mode d’opération, aucun gaz n’est envoyé à la capacité-tampon (B).
  11. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel pendant le deuxième mode d’opération, la capacité tampon (B) se dépressurise, de préférence jusqu’à la pression atmosphérique.
  12. Procédé selon la revendication 2 ou l’une des revendications précédentes quand dépendante de la revendication 2 dans lequel pendant le premier mode d’opération, la capacité tampon (B) stocke du gaz à la pression d’entrée de l’unité de préconcentration (A).
  13. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel pendant le premier mode d’opération, la capacité tampon (B) stocke du gaz à la pression d’entrée de l’unité de séparation par condensation partielle et/ou distillation (CC).
  14. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel pendant un deuxième mode d’opération, le mélange gazeux a un débit inférieur à D, voire nul et/ou une masse molaire en CO2 inférieure à T, un débit gazeux stocké dans la capacité-tampon (B) est envoyé en amont de l’unité de lavage (Q).
  15. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel pendant un deuxième mode d’opération, le mélange gazeux a un débit inférieur à D, voire nul et/ou une masse molaire en CO2 inférieure à T, un débit gazeux (32) stocké dans la capacité-tampon est envoyé en amont du compresseur du débit épuré (C2).
  16. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel pendant un deuxième mode d’opération, le mélange gazeux (1) a un débit inférieur à D, voire nul et/ou une masse molaire en CO2 inférieure à T et un débit gazeux (34) stocké dans la capacité-tampon est envoyé en amont de l’unité de condensation partielle et/ou distillation (CC) et en aval du sécheur (D).
  17. Procédé selon les revendications 2 et 16 dans lequel pendant un deuxième mode d’opération, le mélange gazeux a un débit inférieur à D, voire nul et/ou une masse molaire en CO2 inférieure à T, et un débit gazeux (34) stocké dans la capacité-tampon (B) est envoyé en amont de l’unité de condensation partielle et/ou distillation (CC) et en aval de l’unité de préconcentration (A).
  18. Procédé selon la revendication 2 ou une des revendications 3 à 17 quand dépendant de la revendication 2 dans lequel l’unité de préconcentration (A) fonctionne par adsorption à bascule de pression ou par perméation utilisant au moins une étape de perméation membranaire fonctionnant à une température ambiante ou en dessous de 0°C.
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