Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
CA 02490662 2004-12-22
WO 2004/007061 PCT/FR2003/002097
Procëdé et dispositif d'injection de CO2 diphasique dàns un milieu gazeux
en transfert.. '
L'invention concerne un procédé et ' un dispositif d'injection de C02
diphasique, « gaz+so[ide » dans un milieu gazeux en transfert.
Le C02 est utilisé dans de riombreûses applications industrielles ; , la
carbonatation, la régulation dé pH~ la neutralisation d'agents basiques en
sont des
exemples pâ'rmi d'autres. Lé dioxyde de carboné péut être injecté dans' Dun
milieu , ,
liquide ou uri milieu gazeux.
Dans un milieu liquide, le' C02 est injecté sous forrrié .gazeûse, oü liqûide
suivant les cas. ~ , , ' ' ,
Lorsqu'il s'àgit d'injecter du dioxyde de càrbone dàns un milieu. gàzeux, la .
solution habituelle consiste. à, l'irijectér sous forme monophasiqué gazeuse.
Lé plus
souvent livré sous forme liquéfiée et stocké sous cette forme dans un
rëservoir, à une
. pression de l'ordre de 14 à 20 bars et à une température de.l'ordre de -35 à
-20 °C, il
est donc nécessaire dé',le,vaporiser. Cette vaporisation 'nécessite la,
présence sur site
d'un vaporiseur ; ce qui impliqûe un cbût important, à là fois de
fonctionnement, mais
aussi d'investissements que l'énergie soit d'origine ëléctriqué ou fournie pàr
de là
vapeur disponible sur le site. Par ailleûrs, la ligne d'alimentation en
dioxyde de ' '
carbone gazeux, ainsi que les accéssoires associés (vannes, soupapes, etc...)
sont
volumineux et coûteux. Ainsi, les dispositifs classiques d'injection de
diôXyde dé
carbone dans un milieu gazeux ne sont pas optimisés ; ces dispositifs ne sont
notamment pas adaptés dans le cas de l'injection de quantités importantes de
C02.
On connaît par ailleurs l'utilisation de C02 sous forme solide, ou de neige
carbonique pour le nettoyage de surfaces.
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US 4,747,421 décrit l'utilisation de C02 solide dans le domaine de l'industrie
des semi-conducteurs pour l'élimination d'un film photorésistant à la surface
d'un
substrat.
EP 0 631 846 décrit un appareil destiné à produire un aérosol pour nettôyer
ies surfaces intériéures d'une chambre à outils.
EP 0 288 263 décrit un appareil pour éliminer des petites particules de la .
surface d'un substrat en utilisant 'un mélangé dé dioxyde de carbone ' sblïde
ét
gazeux. , ,
llS 4,389,820 décrit une machine.. destinée à génërer un flux' de partiçule's
~ I ~~sublimables âccélérées pour le décâpâge de surfâce.~ L'utilïsation, de
C02 évite lâ
contamination des surfaces ainsi que la contamination atmosphérique. .
Par ailleurs, FR 2 198 778 décrit ' un, procëdé 'et uri appâréillage , pour la
préparation de moules dè fonderie; procédé dàns ' lequel du dioxyde dé,
carbone
gazeux est utïlisé pôur la délivrânçe de composants gazéux en
quântifé,.cataljitique, à
la fois lors de la gâzéification du mélange dé composants chimiques liquides
et lors
dè l'ajustement des quantitës de composants à ajdûter:
Cependant, aucun des documënts çités ,n,'a pou'r ;bbjét l'enrichissement en- ,
C02 d'un milieu gazeux en transfèrt:
Un but de la présénte inventiôn est de proposer une solution au problème
d'injection de dioxyde de ,carbone notamment en'. quantité importânte, dans
des
enceintes contenant un milieu gazeux réactif ou non,'.en transit sous
pression.
Un autre but est de proposer un dispositif d'injection susceptible de mettre
en
aeuvre ce procédé.
Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de
fa
description qui va suivre.
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L'inventiôn concerne tout d'abord un procédé' d'injeçtion de dioxyde de
carbone dans un milieu gazeux en transfert sous pression à tràiter, présent à
l'intérieur d'une enceinte, à partir de dioxyde de carbone , liquide ; le
procédé
comportant les étapes de
- transformation du dioxyde de carbone liqûide en dioxyde de carbone
diphasique
"gaz + solide" par un dispositif de détenté directe,
injection du dioxyde de càrbone diphasiqué ainsi formé dans le milieu gàzeux à
traiter à. l'aide d'un injecteur piqué dans la,paroi de l'encéinte contenant
ledit milieu
gazeux én transfert sous pression à traiter,
- âinsi qu'une étape d'injection d'un gaz d'inértâge dâns le dioxyde dë
carbone,.entre . '
le dispositif de déténte directé et l'injecteur.
Le dioxyde dé carbone,injectë est sôus la forme'"gaz+solide", l'injection e
fàit
directément dans le, milieu gazéux à traiter, au travers d'une pâroi de
l'enceinte, qui
renferme lé milieu à , tràitér. L'enceinte peut être' par exemple une conduité
ou
- canalisatiqrï présèntè dans ûrï circuit. Là trànsfôrmation du dioXjrde dé
carbone
liquidé en dioxyde de carbone diphasiqué . fait intervenir un dispositif de
détenté
directe, dite détente cryog~niqué. Lé dispositif, du 'type vànrie à débit
variable,
p'ràvoque d'abord une restriction à l'écoulement du fluidé, puis une
augmentation du
diamètre d'écoulement a pour effet de détendré le gaz provoquant une pérte. de
pression dé telle sorte que la pression en sortie du dispositif corresponde à
celle du
point trïple du Ç02. Le C02 liquide sé transforme en un mélange de C02 gazeux
et
de C0~ solidé (neige carbonique). Ainsi, fors de l'injection, le procédé. de
l'invention
met en oeuvre un fluide cryogénique d'urie densité au moins vingt fois plus
grande
que sa phase gaz. L'injection du dioxyde de carbone fait intervenir un
injecteur qui
est piqué dans la paroi de l'enceinte et transfère lé mélange "gaz+solide"
vers le
centre de la canalisation de transfert du milieu gazeux. En outre, l'injection
d'un gaz
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d'inertage dans le dioxyde de carbone, en sortie de la vanne cryogénique
préviént
les bouchagés en sortie de ladite vanne et en sortie d'injecteur, dans le
milieu
gazeux. Le gàz d'inertage, assurant un1 bàlayage de gaz au niveau des
différents
éléments du dispositif où circûle le C02 ,diphâsique prévient, la, pollution
par d'es
corps étrangers; notamment l'humiditë et évite l'accumulation de néige
carbonique en
des points où la géomëtrie fait que sa circulàtion serâit difficile sâns
l'éntraînement
par le gaz d'inertage.
Le C02 liquide, est mis à disposition à une pression gënéralémerit comprise
entre 10.105 'et 22.105 Fa (soit entre 10 et 22, bars) et à une,. enipérature
i~ généralement comprise entre -35°C et -20°C.
Selon un mode particulier, on injecte le dioxyde de carbone diphasique , de
telle sorte qu'il soit injecté au coeur du milieu gazeûx ét distribûé pôur
partie ~. co=,
courant et pour partie à contre-courant du flux gâzéux. En injectant de la
sorté lé
dioxyde de carbone au cbûur du gaz, c'est-à-dire dans le courant gazeùx 'loin
des
1'S parois on assure au 'mieux le mélange et l'entraînement du C02, évitant
ainsi son
accumulation. Or, le risque de formation de bouçhons est très,grand~compte
tenu dé
la température de ce CO2 ( -80°C), il est donc essentiel de disperser
immédiatement
celui-ci dans le milieu gazeux à traiter. Outre la géômétrie de ,l'injecteur,
la présence
du gaz d'inertage, injecté dans le C02 diphasique selon l'invention pérmet
aussi de
20 limiter le risque de bouchons.
Ce gaz d'inertage doit être inerte vis-à-vis des espèces chimiques présentes
ainsi que des organes de régulations (vannes de régulation de débit, injecteur
spécifique à l'invention, etc...). II est particulièrement avantageux
d'utiliser en tant
que gaz d'inertage du dioxyde de carbone provenant de la vaporisation d'une
fraction
25 du dioxyde de carbone liquide mis à disposition, et prélevé en amont du
dispositif de
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détente cryogénique. On notera que le C02 n'introduisant pas une nouvelle
espèce
chimique peut par extension être considéré aussi comme un gaz inerte.
La quantité de, dioxyde de carbone injectée est de préférence régulée en
fonction d'une consigné d'ün paramètre physique ou chimique à atteiridre, la
mesure
de ce paramètre est réalisée dans le milieu gazeux, en aval du point
d'injection.
Ainsi, la vanne cryogénique à débit variablé dé l'invention est pilôtêe en
fonction de
cette consigne.
Pâr ailleurs, une vanne cryogénique 'de sééu,rité du type tout, ôu rien peut
aussi être placée en amont de ia vanne cryogénique à débit variable,poûr
réaliser la '
coupure de l'alimentation én CO2 liqùide en' cas de dysfonctionnement, par
exemple
si la pression est trop élevéé dans fe milieu gazeux,à traitée, si la
températùre,y est
trop bassè ou si un autre paramètre, considéré comme majeur a dépassé, un
seuil
d'alerte. L'exploitant de l'installation peut aussi commander cette Vsnne.
Lorsque
l'alimentation de la vanné cryogénique à débit variable est coupëe,,lâ
protéction dés
éléments sensiblés dù .dispositif par un débit faible du gaz d'inertage .èst
mairytenue.
Selén un autre àspect, l'invention conoerne un procédé d'enrichissemént d'un
flux gazeux en dioxyde de cârbone à partir de diox~de, de çarbone liquide.
Selon un mode particulier, il comporte (es étâpes suivantes':
- transformation du dioxyde de carbone liquide en dioxyde de carbone
diphasique
"gaz + solide" par un dispositif de détente directe,
- injection du dioxyde de carbone diphasique ainsi formé dans le flux gazeux à
enrichir à l'aide d'un injecteur piqué dans la paroi de l'enceinte contenant
ledit flux
gazeux à enrichir,
et en ce qu'il comporte une étape d'injection d'un gaz d'inertage dans lé
dioxyde de
carbone, entre le dispositif de détente directe et l'injecteur.
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6 ,., ,
L'invention concerne également un dispositif d'injection de dioxyde de
carbone pour mettre en oeuvre l'un des procédës tels què définis précédemment,
caractérisé en ce qu'il comprend
- une vanne de détente à débit variable (destinée à être alimentéé en .dioxyde
de
carbone liquide) et un injecteur correspondant piqué dans une paroi de
l'enceinte et
pénétrant aû coeur du milieu gazeux, ~ ,
- un té relié en partie supérieure à l'éjécteur de là vanne de détente (il est
entendu
par vanne de détentè, ¿a vanne à débit variable), sur .le ,côté 'à une.
alimentation
gazeuse et racçordé en partie basse à l'injéctèur piqùé dans ladite paroi,
- des moyens d'alimentation de la vanne de détente èn C02 liquide,
des moyens d'alimentation du té en gaz d'inertage.
De manière,judicieuse, l'extrémité de l'injecteur est cônstituée :, ,
- d'un déflecteur à deux pentes distribuant le C02 diphasique pour partie à
contre; ,
lcôurant du fluxgazeux,et pour partie à co-courant, , , .
' de deux, lumières d'échappement , assùrant l'éjection ~ ~du C02 diphasique
et
disposëes de façon à le distribuer dans l'âxe,du transfert du flux gazeux.
De préférence, l'injectèur pénètre , dans l'encèintè :'sur ûne longueur
équivalente à la moitié de la largeur de ladite ènçéi.nte et selorï unè
variànte préférée;
le dispositif comporte pour l'alimentation en gaz d'inertage du dispositif
d'injection,, én
~ amont du dispositif de détente cryogénique, des moyens dé prélèvement et de
vaporisation d'une fraction du dioxyde de carbone liquidé mis à disposition.
Le ,
dispositif peut donc fonctionner en étant relié à une seule source
d'alimentation en
dioxyde de carbone. On pourra aussi utiliser un gaz inerte présent sur le lieu
de
l'application ou de l'air comprimé étant entendu que le gaz d'inertage ne doit
pas
modifier fe comportement du mélange obtenu, et ne doit pas être contre-indiqué
pour
le matériel.
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7
Un mode de réalisation de l'invention est donné à titre d'éXemple non
limitatif,
illustré par la Figure 1 qui est une vue schématique d'un dispositif selon
l'invention et
par les Figures 2 et'2A qui représehtent un exemple d'injècteur selon
l'invention, la
Figure 2A étant une vue en coûpe séton L'axe AA de l'extrémité de l'injecteur
de la
Figure 2.
Lé dispositif d'injection 1 est destiné à fournir dû dioxydé dè carbone
diphasique "gaz+liquide" dans un miliéu gazeux 2, en transfert sous pression
dans
uné ericeinte-3; et ceci à partir d'un réservoir de stockage 4 dé dioxyde
de,~carbone.
liquide dans lèquel le dioxyde de carbone liquide est stocké à ùne préssion
comprise
éntrè14.105 et 20.105 .Pa (soit entrè 14 et 20 bars) et à une température
comprise
entre -35°C èt -20°Ç . '
Le dispôsitif l 'comprend ùne ligne d'alimentation en COz liquidé formée d'une
conduite dé liquide 5 s'étendant du résérvoir 4 'a une vanne crjibgérüqùe à~
débit
vàriable 6 laquélle assur~,è 'la régulation, d'un paramètre "ä" mesuré dans Je
milieu
gazeux 2 en aval du ,'point d'injection: 1Øn filtre. 7 éguipé d'une cartôuchè
filtrante én ,
âcier inoxydable est placé en amont de la vanne 6, il àssure une filtration du
diox~dé
dé carbone liqùide' àfiin dé protéger lé siège de vanné des impuretés solides
poùvant
être présentes dàns les canalisations. Interpôséé sûr la conduite 5, en àmont
du filtre
'7, on trouve une vanne crjrdgénique de sécurité du t~pe tout ou rien 8
laque(fe réalise
la coupuré de ¿'alimentàtion en C02 cryàgéniqué de la vanne 6 lorsqué l'organe
de
contrôle 9 détecte un dépassement de seuil d'un paramètre de sécurité sous
contrôle. Une soupape cryogénique d'expansion, non représentée sur la Figure
protège la ligne en aval de la vanne de sécurité 8 après la fermeture de celle-
ci.
Le dispositif 1 comprend en outre une ligne d'alimentation en gaz d'inertage,
lequel dans ce cas est du COa gazeux ; la ligne est constituée dans l'ordre
d'un
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' g
vaporiseur 10, d'un détendeur 11, d'urïe vanne de débit réglée manuellement
12,
d'un débitmètre avec transmetteur 13 et d'un clapet anti-retour ,14:
Un té 15,, alimenté én partie supérieure en CÖ2 diphasique provenant de
l'éjecteur situé en sortie de la vanne 6, sur le côté en gaz d'inertage (C02
gazeux) est
raccordé en partie basse à. un injecteur 16 assurant l'injection du mélange de
CO2
diphasique dans le milieù gazeux 2 en transfert sous pression dans l'enceinte
3.
L'injecteur 16 réalise le transfert du C02 vers le centré de la canâlisation
de ,
transfert du milieu gazeux: Lo'rsqu'il,.n'y a pas d'injection de C02,
l'intérieur du té 15 et
de l'injecteur 16 sont protégés' du milieu. à traiter grâce à un débit .faible
mais,
permanent du gaz d'inertage. '
Une unité de contrôle-régulation du paramètre "A" âssure' la mésure de la
valeur du paramètre "A" dans fa canalisation de transfert, traite -via
l'organe de ,
contrôle 9- le signal reçu dé "A" ainsi~que les signaux qui proviennent des
différents
paramètres de sécurité suivis (température et pression du milieu gazeux à
traiter,...).
E(le pilote en fonctiôn de "A" (e nivéau d'ouverture de la vanne crybgénique à
débit
variable 6 pour assurer le maintien du paramètre "A" à sa valeur de consigne ;
,elle:
pilote aussi la fermeture de la, vârine cryogéniqué de sécurité 8 én cas de
défaut
majèur affectant un paramètre de sécurité, ou en câs de refus d'aùtorisation
de
traitement de la part de l'exploitant, ainsi que l'ouverturè ou la fermeture
de la vannè
de mise à i'air en fonction du mode de fonctionnement, en général synchrone.
des
autres vannes. Ce pilotage de l'unité de contrôle est assuré à partir
d'informations
communiquées par les transmetteurs de mesûre AIT (mesure du paramètre. "A"),
PIT
(mesure de la pression dans le milieu gazeux ~2), TT (mesure de la température
du
milieu ~2) non référencés. D'autres éléments, non décrits peuvent être
incorporés à
cette unitë de contrôle, notamment des informations binaires, du type
autorisations
ou d'autres paramètres spécifiques du procédé.
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La Figure 2 représente de façon plus détailléé un exemple d'injecteur selon
l'invention.
L'injecteur 16 est alimentë en C02 diphasique provenant de' l'éjecteur 17 en
sortie de la vanne 6 et en gaz d'inertage constitué de C02 gazeux. Cette
alimentation
est réalisée via le té 15 lequel reçoit le C02 d'inertage au niveâu de
l'entrée latérale
18 et le C02 diphasique issu de 17 en partie supérieure., L'injecteur 16
réalisë dans
une matière thermo-isolante, par éxemplé en. polysulfone, conduit le mélange
«gaz+solide» vers le centre de la canalisation 3 de transfért du milieu gazeux
2.
L'injecteur 16 est muni
' - à s~n extrémité d'un d,éflectéur 19 à deûx pentes, formant un angle de
60° pour
orieritér une partie du C02 diphasique à contre-côurant du milieu gazeux 2v en
circulation, et l'autre partie à co-courant
- en sa partie basse de deux lumières ' d'échappement 20 lesquelles assurent
l'éjection du C02 diphasique, mémé à fâiblé débit et sa distributiôn dans
l'axe du
transfert du milieu gazeux, sans eri éntraver là. sortie grâcé à léûr'
disposition dans
l'axe du transfert.
EXEMPLE
Le procédé de l'invention est mis en oèuvre pour l'enrichissement en C02 de
20' fumées de combustiori de gaz naturel. Le paramètre "A" à réguler est la
eneur én
C02 de ces fumées. Initialement à environ 8% de C02, !es fumées sont enrichies
par
le procédé de l'invention jusqu'à dés teneurs comprises entre 12 et 18 %, pour
leur
utilisation ultérieure dans un procédé de fabrication du papier. Le débit de
fumée est
de ('ordre de 12 000 m3 /h. La quantité de C02 utiliséé est d'environ 1200
m3/h C02
(équivalent gaz) pour atteindre 16% de C02 dans les fumées. Les fumées ainsi
enrichies sont destinées notamment à la fabrication de carbonate de calcium.
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La présence de vapeur d'eau dans cés fumées crée én raison de l'interface
entre les fumées chaudes et la sourcé cryogénique des problèmes liés au risque
de
formation'~de glace, notamment au niveau des lùmières de l'injecteur. Çe
risque se
trouve écarté grâce à l'inertage permanent dé l'injecteur par un gaz neutre et
sec.,
Le.~ procédé de l'invention est notamment applicable dans de nombreux
domaines faisant appel àu' C02 Gommé matière preïrière: L'enrichissem'ent mis
en
ceuvre selon l'invention ne faisant pas àppel aù C02 ' gazeux se dégage des '
contraintés dé dimensionnements-et des i,nçônvénients qûi y sont liés.
L'invention est ainsi particulièrement adaptéé pôur des installations
industrièlles disposant dé fumées contenant du C02; agent polluànt en l'état,
et .
utïlisant par aifieurs du CO2 cdmme matière première.
Le procédé de l'invention peut aussi êtré utilisé dans les cas ôù on'soùhaite
traiter au C02 ùn milieu gazeux én transfert.
II est aussi âpte à assurer une régulation dé,.pH ~en utilisant des fuméés
dopéés ati C~2.
Le procédé de I'fnvention peut ainsi êtrè appliqué avantagéùsémerit à .'
l'enrichissement en C02 dé fumées pour la fabricatiori de càrbonate de calcium
,pbùr
l'industrie papetière.
