PROCESS AND APPARATUS FOR SEPARATING A GAS RICH IN CARBON DIOXIDE BY DISTILLATION

PROCEDE ET APPAREIL DE SEPARATION D'UN GAZ RICHE EN DIOXYDE DE CARBONE PAR DISTILLATION

Abrégé français

Dans un procédé de séparation d'un gaz riche en dioxyde de carbone par distillation, on refroidit le gaz riche en dioxyde de carbone dans un échangeur de chaleur (3) et on l'envoie dans une colonne de distillation (5), on soutire un gaz (6) appauvri en dioxyde de carbone de la tête de la colonne et un liquide (7) enrichi en dioxyde de carbone de la cuve de la colonne, on comprime un gaz enrichi en dioxyde de carbone dans un compresseur (17) jusqu'à une première pression et on détend au moins une partie du gaz enrichi en dioxyde de carbone provenant du compresseur depuis à la première pression jusqu'à une deuxième pression plus basse que la première pression, par exemple la pression de la colonne, et on utilise le gaz détendu pour chauffer la cuve de la colonne.

Abrégé anglais

In a process for separating a gas rich in carbon dioxide by distillation, the gas rich in carbon dioxide is cooled in a heat exchanger (3) and is sent to a distillation column (5), a gas (6) depleted in carbon dioxide is withdrawn from the top of the column and a liquid (7) enriched in carbon dioxide is withdrawn from the bottom of the column, a gas enriched in carbon dioxide is compressed in a compressor (17) down to a first pressure and at least one portion of the gas enriched in carbon dioxide originating from the compressor is expanded from the first pressure to a second pressure lower than the first pressure, for example the pressure of the column, and the expanded gas is used to heat the bottom of the column.

Revendications

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Revendications
1. Procédé de séparation d'un gaz d'alimentation par distillation
comprenant au moins 50% de dioxyde de carbone dans lequel :
i) on refroidit le gaz d'alimentation dans un échangeur de chaleur (3) et
on
l'envoie dans une colonne de distillation (5),
ii) on soutire un gaz (6) appauvri en dioxyde de carbone de la tête de la
colonne et un liquide (7) enrichi en dioxyde de carbone de la cuve de la
colonne par
rapport au gaz riche en dioxyde de carbone,
iii) on comprime un gaz enrichi en dioxyde de carbone par rapport au gaz
d'alimentation dans un compresseur (17) jusqu'à une première pression
caractérisé
en ce que on détend au moins une partie (21) du gaz enrichi en dioxyde de
carbone
provenant du compresseur depuis à la première pression jusqu'à une deuxième
pression plus basse que la première pression, par exemple la pression de la
colonne,
et on utilise le gaz détendu pour chauffer la cuve de la colonne.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on produit au moins une
partie du gaz enrichi en dioxyde de carbone (21) en vaporisant au moins une
partie
du liquide (7) enrichi en dioxyde de carbone soutiré de la colonne.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le gaz enrichi en
dioxyde de carbone provient au moins partiellement d'une source extérieure.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au
moins une partie du gaz détendu est envoyée à la colonne (5).
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au
moins une partie (21) du gaz détendu est envoyée à un vaporiseur de cuve (31)
de la
colonne pour chauffer une partie (25) du liquide de cuve de la colonne.

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6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on
comprime une deuxième partie du gaz enrichi en dioxyde de carbone dans le
compresseur (17) jusqu'à une troisième pression, plus élevée que la première
pression.
7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel au moins une partie du
gaz (19) à la troisième pression constitue un produit du procédé.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au
moins une partie du gaz du compresseur constitue un gaz de cycle de
réfrigération
du procédé et est ensuite condensée, refroidie, détendue, réchauffée et
renvoyée au
compresseur.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la
deuxième pression est plus élevée que celle de la colonne (5) d'au moins 1 bar
ou
plus basse que celle de la colonne.
10. Appareil de séparation d'un gaz d'alimentation contenant au moins 50%
de dioxyde de carbone par distillation comprenant un échangeur de chaleur (3),
une
colonne de distillation (5), des moyens pour envoyer le gaz d'alimentation se
liquéfier
au moins partiellement dans l'échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer le
fluide au moins partiellement liquéfié de l'échangeur de chaleur vers la
colonne, des
moyens pour soutirer un gaz (6) appauvri en dioxyde de carbone de la tête de
la
colonne, des moyens pour soutirer un liquide (7) enrichi en dioxyde de carbone
de la
cuve de la colonne, un compresseur (17), des moyens pour envoyer un gaz
enrichi
en dioxyde de carbone, par rapport au gaz d'alimentation, au compresseur et un
moyen de détente (23, 25), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour
envoyer le gaz enrichi en dioxyde de carbone à une première pression du
compresseur au moyen de détente pour le détendre jusqu'à une deuxième pression
et des moyens pour envoyer le gaz enrichi en dioxyde de carbone du moyen de

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détente (23,25) à la colonne ou à un vaporiseur (31) permettant de vaporiser
un
liquide de cuve de la colonne.
11. Appareil selon la revendication 10 dans lequel le moyen de détente (25)
est une turbine.
12. Appareil selon la revendication 10 ou 11 comprenant des moyens pour
envoyer le gaz enrichi en dioxyde de carbone du moyen de détente (23,25) à la
colonne.

Description

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Procédé et appareil de séparation d'un gaz riche
en dioxyde de carbone par distillation
La présente invention concerne un procédé et appareil de séparation d'un gaz
riche en dioxyde de carbone par distillation.
Il est connu de séparer un mélange contenant du dioxyde de carbone comme
un des composants principaux par distillation. Un gaz riche en dioxyde de
carbone
peut comprendre au moins 50% de dioxyde de carbone, voire au moins 70% de
dioxyde de carbone, et même au moins 90% de dioxyde de carbone. Tous les
pourcentages dans ce document concernant des puretés sont des pourcentages
volumiques à base sèche. Le restant du gaz peut comprendre au moins un des gaz
suivants : de l'azote, de l'oxygène, de l'argon, de l'hydrogène, du monoxyde
de
carbone, du méthane. Le mélange peut provenir d'un procédé d'oxycombustion
dans
lequel un mélange d'oxygène et de carburant brûle dans une chaudière pour
produire
un gaz résiduaire, dont le gaz à séparer de l'invention constitue au moins une
partie,
produite après épuration.
Quand il est demandé de produire du CO2 à haute pureté (>90%v,
de préférence >95%v et plus spécifiquement >99%v), une colonne de distillation
du
CO2 s'avère nécessaire. Le CO2 liquide (ou diphasique) partiellement purifié
par
séchage, condensation partielle est distillé contre du CO2 gazeux pur. Ce CO2
pur
introduit en cuve de colonne pour assurer la purification du liquide peut
provenir du
compresseur de CO2 purifié de l'unité. Dans ce cas, il est nécessaire de
disposer du
CO2 à plus haute pression ou à la même pression que celle de la colonne (la
pression
de la colonne étant entre 6 et 70 bars, plus particulièrement entre 10 et 16
bars).
Toutes les pressions mentionnées dans ce document sont des pressions absolues.
La plupart des procédés de ce genre utilisant de la distillation pour purifier
le
mélange utilisent une colonne de distillation dont la cuve est chauffée par le
mélange
à distiller.
EP-A-2381198 décrit un procédé selon le préambule de la revendication 1.

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Dans le cas de US-A-3498067, DE-A-3639779 et JP-A-56077673 le mélange
est envoyé dans la colonne et pour les documents FR-A-2934170, EP-A-1953486,
U520020059807, US-A-3130026, WO-A-2006054008, WO-A-2007126972,
EP-A-0965564, EP-A-0994318, le liquide de cuve se vaporise contre le mélange
dans un échangeur dédié, séparé d'un autre échangeur plus grand qui sert à
refroidir
le mélange.
EP 1953486 et EP 2002190 divulguent le concept du rebouillage de la colonne
de distillation par l'utilisation d'une partie de la chaleur apportée par le
gaz
d'alimentation.
FR-A-2934170 décrit l'usage du gaz produit, enrichi en dioxyde de carbone,
pour rebouillir la colonne.
La présente invention consiste à prélever le CO2 nécessaire pour le
rebouillage de la colonne sur la production de CO2, en aval de la boite
froide. La
vapeur directement injectée dans la cuve de la colonne de distillation sera
ainsi issue
de la compression finale ou du cycle CO2 ou de tout autre compresseur de CO2
purifié. Différents procédés sont alors envisageables. On peut prélever le CO2
gazeux
avant qu'il n'atteigne sa pression finale, c'est-à-dire en inter-étage de
compresseur,
par exemple dans le cas d'un compresseur multi étagé. On peut renvoyer ce CO2
directement dans la colonne.
Plus la pression à laquelle le CO2 est comprimé est élevée, plus la détente
permettra de refroidir le gaz utile au rebouillage de la colonne. Il est donc
possible de
choisir la pression du CO2 à la sortie du compresseur permettant de disposer
du CO2
à la plus haute pression, ce qui permet de bénéficier de la plus grande
détente. En
effet, la détente de ce CO2 permet d'apporter des frigories, notamment dans
une
turbine.
Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'un gaz
d'alimentation contenant au moins 50% de en dioxyde de carbone par
distillation
dans lequel :
i) on refroidit le gaz riche d'alimentation dans un échangeur de chaleur et on
l'envoie dans une colonne de distillation,

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ii) on soutire un gaz appauvri en dioxyde de carbone de la tête de la colonne
et un liquide enrichi en dioxyde de carbone de la cuve de la colonne,
iii) on comprime un gaz enrichi en dioxyde de carbone par rapport au gaz
d'alimentation dans un compresseur jusqu'à une première pression caractérisé
en ce
que
iv) on détend au moins une partie du gaz enrichi en dioxyde de carbone
provenant du compresseur depuis à la première pression jusqu'à une deuxième
pression plus basse que la première pression, par exemple la pression de la
colonne,
et on utilise le gaz détendu pour chauffer la cuve de la colonne.
Selon d'autres aspects facultatifs :
- on produit au moins une partie du gaz enrichi en dioxyde de carbone en
vaporisant au moins une partie du liquide enrichi en dioxyde de carbone
soutiré de la
colonne.
- le gaz enrichi en dioxyde de carbone provient au moins partiellement
d'une
source extérieure.
- au moins une partie du gaz détendu est envoyée à la colonne.
-au moins une partie du gaz détendu est envoyé à la colonne pour s'y séparer
- au moins une partie du gaz détendu est envoyée à un vaporiseur de cuve de
la colonne pour chauffer une partie du liquide de cuve de la colonne.
- on comprime une deuxième partie du gaz enrichi en dioxyde de carbone
dans le compresseur jusqu'à une troisième pression, plus élevée que la
première
pression.
- au moins une partie du gaz à la troisième pression constitue un produit
du
procédé.
- au moins une partie du gaz du compresseur constitue un gaz de cycle de
réfrigération du procédé et est ensuite condensée, refroidie, détendue,
réchauffée et
renvoyée au compresseur.
- la deuxième pression est plus élevée que celle de la colonne d'au moins 1
bar ou plus basse que celle de la colonne.
- la troisième pression est entre 50 et 200 bars.

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Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation
d'un
gaz d'alimentation contenant au moins 50% de dioxyde de carbone par
distillation
comprenant un échangeur de chaleur, une colonne de distillation, des moyens
pour
envoyer le gaz d'alimentation se liquéfier au moins partiellement dans
l'échangeur de
chaleur, des moyens pour envoyer le fluide au moins partiellement liquéfié de
l'échangeur de chaleur vers la colonne, des moyens pour soutirer un gaz
appauvri en
dioxyde de carbone de la tête de la colonne, des moyens pour soutirer un
liquide
enrichi en dioxyde de carbone de la cuve de la colonne, un compresseur, des
moyens pour envoyer un gaz enrichi en dioxyde de carbone par rapport au gaz
d'alimentation au compresseur et un moyen de détente caractérisé en ce qu'il
comprend des moyens pour envoyer le gaz enrichi en dioxyde de carbone à une
première pression du compresseur au moyen de détente pour le détendre jusqu'à
une deuxième pression et des moyens pour envoyer le gaz enrichi en dioxyde de
carbone du moyen de détente à la colonne ou à un vaporiseur permettant de
vaporiser un liquide de cuve de la colonne.
Le moyen de détente peut être une vanne ou une turbine.
Il est aussi possible d'utiliser un échangeur dédié qui fera office de
rebouilleur.
On vaporise alors le CO2 issu de la cuve de la colonne contre du CO2 issu de
la
compression finale ou du cycle CO2 ou de tout autre compresseur de CO2. Ce CO2
est alors refroidi voire condensé, en fonction de sa pression et de sa
température.
L'avantage d'avoir un échangeur dédié est de ne pas mélanger le CO2 du procédé
avec le CO2 d'un groupe froid dans le cas d'un liquéfacteur par exemple.
Le CO2 ainsi refroidi peut être utilisé soit gazeux et froid soit être
directement
liquéfié dans le rebouilleur pour une utilisation ultérieure dans le procédé
ou un autre
procédé.
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures, qui
montrent des appareils selon l'invention.
Dans la Figure 1, un appareil d'oxycombustion 1 (ou une autre source) produit
des fumées qui sont épurées pour produire un gaz riche en dioxyde de carbone,
contenant au moins 50%, voire au moins 70% de dioxyde de carbone. Le gaz 2
contient au moins une autre impureté, par exemple de l'azote, de l'oxygène, de

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l'argon, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone ou du méthane. Le gaz 2 est au
moins partiellement liquéfié dans un échangeur de chaleur 3 pour produire un
fluide 4
qui est envoyé en tête d'une colonne de distillation 5. Là il se sépare pour
former un
gaz de tête 6 enrichi en au moins un des composés suivants : de l'azote, de
l'oxygène, de l'argon, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone ou du méthane.
Le
gaz 6 est appauvri en dioxyde de carbone. Le liquide de cuve 7 est appauvri en
au
moins des composés suivants : de l'azote, de l'oxygène, de l'argon, de
l'hydrogène,
du monoxyde de carbone ou du méthane. Le liquide 7 enrichi en dioxyde de
carbone
contient au moins 60% de dioxyde de carbone, de préférence au moins 70% de
dioxyde de carbone et est envoyé à un stockage 9. Le liquide 11 soutiré du
stockage
peut servir de produit.
Selon une variante de l'invention, comme montré en pointillés, le liquide 7
est
envoyé par la conduite 13 au vaporiseur 15 pour former un gaz. Ce gaz est
comprimé
dans un compresseur 17 constitué de un, plus vraisemblablement quatre ou six à
huit
étages, 17A, 17B, 17C, 17D, 17E, 17F. Le gaz comprimé dans tous les étages est
un
produit gazeux 19 à une troisième pression de 50 bars à 200 bars selon les
applications.
Le gaz 21 comprimé dans les trois premières étages 17A, 17B, 17C est
détendu d'une première pression à une deuxième pression dans une vanne 23,
puis
refroidi dans l'échangeur 3 et injecté directement dans la cuve de la colonne
5. La
vanne 23 peut également se trouver en aval de l'échangeur 3.
Le gaz 21 peut en alternatif être refroidi dans un échangeur qui n'est pas
l'échangeur 3.
Il est même possible d'envoyer le gaz dans la colonne à la température de
sortie de l'étage du compresseur.
La colonne 5 opère à entre 6 et 70 bars, plus particulièrement entre 10 et 16
bars.
Dans la Figure 2, on voit que le gaz 21 peut être le gaz 21A dérivé en aval de
l'étage 17A, le gaz 21B en aval de l'étage 17B, le gaz 21C dérivé en aval de
l'étage
17C, dérivé en aval de l'étage 17D, le gaz 21E dérivé en aval de l'étage 17 E
ou le
gaz dérivé en aval de l'étage 17F. De même, la vanne 23 peut être remplacée
par

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une turbine 25 en amont ou en aval du refroidissement avant la rentrée dans la
colonne. Ceci permettra de valoriser la différence de pression en produisant
du froid.
Dans la Figure 3, la différence avec la Figure 2 est que le gaz détendu dans
la
vanne 23 jusqu'à la deuxième colonne n'est pas envoyé dans la colonne mais à
un
vaporiseur 31 à l'extérieur de la colonne. Le vaporiseur 31 est également
alimenté
par du liquide 26 de cuve de la colonne 5. Le liquide vaporisé est renvoyé à
la
colonne. Le gaz 21 envoyé au vaporiseur est liquéfié pour former le liquide 29
pour
une utilisation ultérieure dans le procédé ou un autre procédé.
Le compresseur 17, ou certains étages de celui-ci, peut constituer un
compresseur de cycle de l'appareil.
Le gaz comprimé dans le compresseur 17 peut être du liquide 11 vaporisé
entièrement ou en partie. Sinon une partie ou tout le gaz peut provenir d'une
source
extérieure par exemple une canalisation ou un autre appareil.
Pour tous les exemples, la pression de la colonne 5 peut varier entre 6 bars
et
70bars a et peut contenir des garnissages structurés ou des plateaux. Le gaz
21 qui
sert au rebouillage peut être à la pression de la colonne, dans le cas
d'injection
directe, comme illustré aux Figures 1 et 2. Sinon le gaz envoyé au rebouilleur
externe
31 peut être à plus haute pression que la pression de la colonne (rebouillage
externe
et condensation) soit à plus basse pression (rebouillage externe sur chaleur
sensible
uniquement. Ainsi la deuxième pression peut être plus basse ou plus élevée que
la
pression de la colonne, sinon identique à la pression de la colonne. Si la
deuxième
pression est plus élevée que la pression de la colonne, elle est au moins 1
bar plus
élevée que celle de la colonne. La pression de la colonne est
conventionnellement
celle mesurée au milieu de la colonne.

Dessin représentatif