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FR3136995A1 - Procédé et dispositif d’épuration de gaz par adsorption froide de dioxyde de carbone et procédé et dispositif de liquéfaction - Google Patents

Procédé et dispositif d’épuration de gaz par adsorption froide de dioxyde de carbone et procédé et dispositif de liquéfaction Download PDF

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FR3136995A1
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Laurent Benoit
Gaëlle DUBOURG
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Engie SA
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Abstract

TITRE DE L’INVENTION : PROCÉDÉ ET DISPOSITIF D’ÉPURATION DE GAZ PAR ADSORPTION FROIDE DE DIOXYDE DE CARBONE ET PROCÉDÉ ET DISPOSITIF DE LIQUÉFACTION Le procédé (100) d’épuration de gaz par adsorption froide de dioxyde de carbone (CO2), dans au moins une colonne munie d’un tamis moléculaire configuré pour adsorber du dioxyde de carbone à une première température d’adsorption comprise entre -20°C et -80°C et à une première pression d’adsorption, comporte une étape (105) d’épuration du gaz à épurer par injection, avec un premier débit, dans la colonne à la première température et à la première pression. Préférentiellement, le procédé comporte, de plus :- une étape (110) de mise de la colonne (205, 215, 225, 235) sous une deuxième pression supérieure à un bara,- une étape (115) de préchauffage de la colonne sous la deuxième pression à une deuxième température supérieure à 10°C,- une étape (120) de dépressurisation de la colonne préchauffée jusqu’à une troisième pression,- une étape (125) de régénération du tamis par traversée de ce tamis par un gaz de régénération à la troisième pression à une troisième température,- une étape (130) de pré-refroidissement de la colonne à une quatrième température et- une étape (135) de re-pressurisation de la colonne à la première température et à la première pression. Figure pour l’abrégé : Figure 1

Description

PROCÉDÉ ET DISPOSITIF D’ÉPURATION DE GAZ PAR ADSORPTION FROIDE DE DIOXYDE DE CARBONE ET PROCÉDÉ ET DISPOSITIF DE LIQUÉFACTION Domaine technique de l’invention
La présente invention vise un procédé et un dispositif d’épuration de gaz par adsorption froide de dioxyde de carbone (CO2) et un procédé et un dispositif de liquéfaction mettant en œuvre cette épuration. La présente invention s’applique, en particulier à la liquéfaction sans cristallisation d’un flux composé d’un composé majoritaire dont la température de rosée est inférieure à -80°C pour des pressions inférieures à 25 bara, ce composé majoritaire étant, par exemple, du méthane, de l’air, de l’oxygène ou de l’azote, et de CO2avec un taux inférieur à 5 %mol.
 État de la technique
La qualité du biométhane liquéfié est directement liée à la qualité du biométhane gazeux. Concernant le CO2, plus la liquéfaction est opérée à basse pression, plus le taux de CO2du biométhane gazeux doit être faible, et donc plus le procédé d’épuration du biogaz en amont doit être performant. La solubilité du CO2dans le biométhane liquéfié diminue proportionnellement à la température et à la pression du biométhane liquéfié. La présence de CO2entraîne la formation de cristaux qui gênent les opérations de transfert et de mise en œuvre du biométhane liquéfié. Concernant la teneur en eau (H2O), le point de rosée doit être inférieur à - 70°C et les risques associés sont similaires à la présence de CO2.
L’épuration poussée du biométhane ou du gaz naturel (opération aussi appelée « polishing ») en vue de sa liquéfaction, donc concrètement dans un flux contenant très majoritairement du méthane (au moins 70%mol), vise à faire passer le CO2d’un taux compris entre 5 et 0,5%mol à un taux compris entre 2,5%mol, voire 1%mol, et 50 ppm.
On souhaite atteindre ce degré d’épuration en CO2car le flux principal de méthane, ne peut être liquéfié puis stocké à des pressions comprises entre 1 bara et 25 bara qu’à des températures très basses (entre -100°C et -160°C selon la pression de stockage). Ce qui signifie que, pour éviter tout risque de cristallisation du CO2(et donc bouchage, colmatage dans des équipements tels que les échangeurs cryogéniques ou les conduites reliées aux stockages liquides), il faut que le taux de CO2soit suffisamment faible.
Pour résoudre ce problème technique, trois types de techniques sont connus :
- le lavage, à l’eau, aux amines ou avec un solvant spécifique,
- l’utilisation d’un tamis moléculaire régénéré à la chaleur (TSA) ou à la pression (PSA/VPSA) et
- l’épuration cryogénique.
Le lavage fonctionne avec les éléments suivants :
- une colonne spécifique de lavage qui réalise effectivement l’épuration,
- un système de pompe,
- une colonne spécifique de régénération,
- et éventuellement, un système de production de chaleur, notamment dans le cas du lavage aux amines.
Parmi les inconvénients d’un système de lavage, celui-ci requiert des équipements techniquement complexes et, notamment, une colonne d’adsorption d’un dimensionnement spécifique au gaz traité et dont la fabrication est complexe. De plus, des systèmes « actifs » consommant soit de l’énergie mécanique (pompes, par exemple) soit de l’énergie thermique (système de chauffe) à des températures souvent supérieures à 150°C sont requis et demandent une maintenance spécifique.
Concernant les solutions par adsorption, on rappelle que l’adsorption est un phénomène de surface par lequel des atomes, des ions ou des molécules (adsorbats) se fixent sur une surface solide (adsorbant) depuis une phase gazeuse, liquide ou une solution solide. Industriellement, l'adsorption s'effectue à l'intérieur de grains d'adsorbant ou « tamis moléculaire », sur la surface développée par les pores des grains, afin d'obtenir une grande quantité fixée dans un minimum de volume. L’adsorption de CO2se fait ainsi sur un tamis moléculaire dont le matériau possède la propriété de se lier préférentiellement au CO2. Une fois que le tamis est chargé de CO2, il doit être régénéré. Différents modes de régénération sont utilisés :
- TSA (pour « Temperature Swing Adsorption » ou « adsorption à température modulée »), dans lequel un flux de température élevée (par rapport à la température d’adsorption) est utilisé pour régénérer les tamis,
- PSA (pour « Pressure Swing Adsorption » ou « adsorption à pression modulée »), dans lequel un flux de basse pression (par rapport à la pression d’adsorption) est utilisé pour régénérer les tamis, et
- VPSA (pour Void Pressure Adsorption ou adsorption de pression vide), dans lequel la pression est abaissée en-dessous de la pression atmosphérique à l’aide d’une pompe à vide pour régénérer les tamis.
Parmi les inconvénients des systèmes TSA, il y a principalement le recours à une source de chaleur importante (supérieure à 150°C). Les systèmes PSA et VPSA requièrent, dans leur phase de régénération, un système de machine tournante : pompe à vide, chaudière ou compresseur dédié, ce qui engendre des coûts importants énergétiques et des coûts importants de maintenance.
L’épuration cryogénique, pour laquelle un cycle complet de refroidissement dédié à l’épuration est utilisé pour séparer le CO2du méthane, a comme inconvénient que, pour atteindre un taux d’impureté très faible, il faut refroidir le gaz traité à des températures très basses (cryogéniques). L’épuration cryogénique requiert donc un système de refroidissement à basse température très coûteux.
 Présentation de l’invention
La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients.
À cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif d’épuration de gaz par adsorption froide de dioxyde de carbone (CO2), qui comporte :
- au moins une colonne munie d’un tamis moléculaire configuré pour adsorber du dioxyde de carbone à une première température d’adsorption comprise entre -20°C et -80°C et à une première pression d’adsorption, et
- un moyen d’épuration du gaz à épurer par injection, avec un premier débit, dans la colonne à la première température et à la première pression.
Ainsi, dans le dispositif objet de l’invention, la température d’adsorption est inférieure à ce qui était connu dans l’art antérieur.
On augmente ainsi la capacité d’adsorption en CO2 du tamis moléculaire et on peut donc réduire la taille de la colonne et la quantité de tamis moléculaire qu’elle contient. De plus, on facilite la régénération de ce tamis car le niveau de température de chaleur requis pour la régénération est abaissé.
Dans des modes de réalisation, le dispositif d’épuration comporte, de plus :
- un moyen de mise de la colonne sous une deuxième pression supérieure à un bara,
- un moyen de préchauffage de la colonne sous la deuxième pression à une deuxième température supérieure à 10°C,
- un moyen de dépressurisation de la colonne préchauffée jusqu’à une troisième pression,
- un moyen de régénération du tamis par traversée de ce tamis par un gaz de régénération à la troisième pression à une troisième température,
- un moyen de pré-refroidissement de la colonne à une quatrième température et
- un moyen de re-pressurisation de la colonne à la première température et à la première pression.
Ainsi, dans le dispositif objet de l’invention, la température d’adsorption est inférieure à ce qui était connu dans l’art antérieur et la régénération du tamis moléculaire est effectuée par TSA à une température de régénération inférieure à l’art antérieur.
On augmente ainsi la capacité d’adsorption en CO2du tamis moléculaire et on peut donc réduire la taille de la colonne et la quantité de tamis moléculaire qu’elle contient. De plus, on facilite la régénération de ce tamis car le niveau de température de chaleur requis pour la régénération est abaissé.
Les améliorations de ces modes de réalisation comportent :
- la réduction du besoin de chaleur et la facilitation de la récupération de la chaleur sur des systèmes classiques connexes,
- une meilleure compacité de l’installation et, notamment, de la colonne d’adsorption, et
- une simplification de la forme de la colonne, qui peut être cylindrique, ce qui en réduit le coût, l’opérabilité et la maintenance.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte au moins deux colonnes configurées pour fonctionner en décalage d’étapes, une colonne fonctionnant en épuration pendant qu’une autre colonne fonctionne en régénération.
Grâce à ces dispositions, une fourniture de gaz épuré plus régulière (c’est-à-dire que le rapport cyclique de fourniture de gaz épuré est plus élevé), voire parfaitement continue, peut être obtenue en sortie du dispositif.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte, en entrée du moyen d’épuration de gaz, une source de gaz dont les composants principaux se condensent sous forme liquide à des températures inférieures à -80°C à la pression finale de stockage.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte, en entrée du moyen d’épuration de gaz, une source de gaz dont les composants principaux sont du biométhane, du méthane, de l’éthane, de l’azote, de l’oxygène et/ou de l’éthylène.
Dans des modes de réalisation, la première pression, d’adsorption, est supérieure à 15 bara.
Dans des modes de réalisation, la troisième pression, de régénération, est inférieure à la première pression, d’adsorption.
Dans des modes de réalisation, la troisième température, de régénération, est supérieure à 10°C et inférieure à 30°C.
L’inventeur a constaté que l’efficacité du dispositif est améliorée en respectant l’une ou l’autre et, préférentiellement, au moins deux, voire toutes, ces contraintes portant sur les températures et pressions d’adsorption et de régénération.
Dans des modes de réalisation, le moyen de régénération et le moyen d’épuration sont conjointement configurés pour que la durée de régénération soit inférieure à la durée d’adsorption.
Dans des modes de réalisation, la troisième température, de régénération, est supérieure à 60°C et le débit volumique normal, à la température de 0°C et à la pression de 1,013 bara, de régénération est inférieur à la moitié du débit volumique normal d’adsorption.
Dans des modes de réalisation, la température de régénération est supérieure à 10°C et inférieure à 80°C et le débit volumique normal, à la température de 0°C et à la pression de 1,013 bara, de régénération est supérieur au débit volumique normal d’adsorption.
L’inventeur a constaté que l’efficacité du dispositif est encore améliorée en respectant au moins une de ces deux contraintes, voire ces deux contraintes, portant sur les durées et débits d’adsorption et de régénération.
Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un dispositif de liquéfaction d’un gaz qui comporte :
- un dispositif d’épuration objet de la présente invention,
- un compresseur du gaz à liquéfier,
- un échangeur de chaleur mettant le gaz comprimé à la deuxième température et fournissant le gaz de préchauffage à chaque moyen de préchauffage d’une colonne d’épuration du dispositif d’épuration,
- un échangeur de chaleur configuré pour recevoir le gaz de préchauffage ayant traversé le dispositif d’épuration, configuré pour réaliser un premier refroidissement precooling de ce gaz et pour le fournir à chaque moyen d’épuration d’une colonne d’épuration du dispositif d’épuration,
- un échangeur de chaleur configuré pour recevoir le gaz épuré ayant traversé la colonne d’épuration, configuré pour réaliser un deuxième refroidissement ou precooling du gaz épuré,
- un moyen de liquéfaction du gaz épuré après son deuxième refroidissement, et
- un échangeur de chaleur configuré pour réaliser un sous-refroidissement ou subcooling du gaz liquéfié et pour le fournir à au moins un réservoir de gaz liquéfié.
Grâce à ces dispositions, le gaz à liquéfier réalise la fonction de préchauffage de chacune des colonnes du dispositif d’épuration.
Dans des modes de réalisation, le dispositif de liquéfaction comporte, de plus, un circuit de récupération de flash-gas final depuis au moins un réservoir de gaz liquéfié, configuré pour fournir ce flash-gas final à chaque moyen de pré-refroidissement d’une colonne du dispositif d’épuration.
Grâce à ces dispositions, le gaz à liquéfier réalise, de plus, la fonction de pré-refroidissement de chacune des colonnes du dispositif d’épuration.
Dans des modes de réalisation, le dispositif de liquéfaction comporte, de plus, un circuit de récupération de flash-gas final depuis au moins un réservoir de gaz liquéfié configuré pour, une fois ce flash-gas final réchauffé à la troisième température, fournir ce flash-gas final récupéré à chaque moyen de régénération d’une colonne du dispositif d’épuration.
Grâce à ces dispositions, le gaz à liquéfier réalise, de plus, la fonction de régénération du tamis moléculaire de chacune des colonnes du dispositif d’épuration.
Selon un troisième aspect, la présente invention vise un procédé d’épuration de gaz par adsorption froide de dioxyde de carbone (CO2), dans au moins une colonne munie d’un tamis moléculaire configuré pour adsorber du dioxyde de carbone à une première température d’adsorption comprise entre -20°C et -80°C et à une première pression d’adsorption, procédé qui comporte une étape d’épuration du gaz à épurer par injection, avec un premier débit, dans la colonne à la première température et à la première pression.
Dans des modes de réalisation, le procédé d’épuration objet de l’invention comporte, de plus :
- une étape de mise de la colonne sous une deuxième pression supérieure à un bara,
- une étape de préchauffage de la colonne sous la deuxième pression à une deuxième température supérieure à 10°C,
- une étape de dépressurisation de la colonne préchauffée jusqu’à une troisième pression,
- une étape de régénération du tamis par traversée de ce tamis par un gaz de régénération à la troisième pression à une troisième température,
- une étape de pré-refroidissement de la colonne à une quatrième température et
- une étape de re-pressurisation de la colonne à la première température et à la première pression.
Selon un quatrième aspect, la présente invention vise un procédé de liquéfaction d’un gaz qui comporte :
- les étapes du procédé d’épuration objet de l’invention,
- une étape de compression du gaz à liquéfier,
- une étape de mise du gaz comprimé à la deuxième température pour fournir le gaz de préchauffage de l’étape de préchauffage du procédé d’épuration,
- une étape de premier refroidissement precooling du gaz de préchauffage ayant réalisé l’étape de préchauffage pour réaliser, sur ce gaz, les étapes du procédé d’épuration,
- une étape de deuxième refroidissement precooling du gaz épuré,
- une étape de liquéfaction du gaz après son deuxième refroidissement,
- une étape de sous-refroidissement subcooling du gaz liquéfié et de stockage du gaz liquéfié sous-refroidi dans un réservoir de gaz liquéfié, et
- une étape de recyclage du gaz utilisé pendant une étape de pré-refroidissement en amont de l’étape de compression.
Les avantages, buts et caractéristiques particulières de ce procédé d’épuration et de ce procédé de liquéfaction étant similaires à ceux du dispositif d’épuration et du dispositif de liquéfaction, ils ne sont pas rappelés ici.
 Brève description des figures
D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du procédé et du dispositif objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :
représente, sous forme d’un logigramme, des étapes d’un mode de réalisation particulier du procédé d’épuration objet de l’invention,
représente, schématiquement, un mode de réalisation particulier d’un dispositif d’épuration de gaz objet de l’invention,
représente, schématiquement, un mode de réalisation particulier d’un dispositif de liquéfaction de gaz objet de l’invention, et
représente, sous forme d’un logigramme, des étapes d’un mode de réalisation particulier d’un procédé de liquéfaction de gaz objet de l’invention.
La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.
Comme on le comprend à la lecture de la présente description, divers concepts inventifs peuvent être mis en œuvre par une ou plusieurs méthodes ou dispositifs décrits ci-après, dont plusieurs exemples sont ici fournis. Les actions ou étapes réalisées dans le cadre de la réalisation du procédé ou du dispositif peuvent être ordonnées de toute manière appropriée. En conséquence, il est possible de construire des modes de réalisation dans lesquels les actions ou étapes sont exécutées dans un ordre différent de celui illustré, ce qui peut inclure l'exécution de certains actes simultanément, même s'ils sont présentés comme des actes séquentiels dans les modes de réalisation illustrés.
Les articles indéfinis "un" et "une", tels qu'ils sont utilisés dans la description et dans les revendications, doivent être compris comme signifiant "au moins un", sauf indication claire du contraire.
L'expression "et/ou", telle qu'elle est utilisée dans le présent document et dans les revendications, doit être comprise comme signifiant "l'un ou l'autre ou les deux" des éléments ainsi conjoints, c'est-à-dire des éléments qui sont présents de manière conjonctive dans certains cas et de manière disjonctive dans d'autres cas. Les éléments multiples énumérés avec "et/ou" doivent être interprétés de la même manière, c'est-à-dire "un ou plusieurs" des éléments ainsi conjoints. D'autres éléments peuvent éventuellement être présents, autres que les éléments spécifiquement identifiés par la clause "et/ou", qu'ils soient liés ou non à ces éléments spécifiquement identifiés. Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, une référence à "A et/ou B", lorsqu'elle est utilisée conjointement avec un langage ouvert tel que "comprenant" peut se référer, dans un mode de réalisation, à A seulement (incluant éventuellement des éléments autres que B) ; dans un autre mode de réalisation, à B seulement (incluant éventuellement des éléments autres que A) ; dans un autre mode de réalisation encore, à A et B (incluant éventuellement d'autres éléments) ; etc.
Tel qu'utilisé ici dans la description et dans les revendications, "ou" doit être compris comme ayant la même signification que "et/ou" tel que défini ci-dessus. Par exemple, lorsqu'on sépare des éléments dans une liste, "ou" ou "et/ou" doit être interprété comme étant inclusif, c'est-à-dire l'inclusion d'au moins un, mais aussi de plus d'un, d'un nombre ou d'une liste d'éléments, et, facultativement, d'éléments supplémentaires non listés. Seuls les termes indiquant clairement le contraire, tels que "un seul des" ou "exactement un des", ou, lorsqu'ils sont utilisés dans les revendications, "consistant en", font référence à l'inclusion d'un seul élément d'un nombre ou d'une liste d'éléments. En général, le terme "ou" tel qu'il est utilisé ici ne doit être interprété comme indiquant des alternatives exclusives (c'est-à-dire "l'un ou l'autre mais pas les deux") que lorsqu'il est précédé de termes d'exclusivité, tels que "soit", "l'un de", "un seul de" ou "exactement un de".
Telle qu'elle est utilisée dans la présente description et dans les revendications, l'expression "au moins un", en référence à une liste d'un ou de plusieurs éléments, doit être comprise comme signifiant au moins un élément choisi parmi un ou plusieurs éléments de la liste d'éléments, mais n'incluant pas nécessairement au moins un de chaque élément spécifiquement énuméré dans la liste d'éléments et n'excluant pas toute combinaison d'éléments dans la liste d'éléments. Cette définition permet également la présence facultative d'éléments autres que les éléments spécifiquement identifiés dans la liste des éléments auxquels l'expression "au moins un" fait référence, qu'ils soient liés ou non à ces éléments spécifiquement identifiés. Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, "au moins l'un de A et B" (ou, de manière équivalente, "au moins l'un de A ou B", ou, de manière équivalente, "au moins l'un de A et/ou B") peut se référer, dans un mode de réalisation, à au moins un, incluant éventuellement plus d'un, A, sans B présent (et incluant éventuellement des éléments autres que B) ; dans un autre mode de réalisation, à au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, B, sans A présent (et comprenant éventuellement des éléments autres que A) ; dans encore un autre mode de réalisation, à au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, A, et au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, B (et comprenant éventuellement d'autres éléments) ; etc.
Dans les revendications, ainsi que dans la description ci-dessous, toutes les expressions transitoires telles que "comprenant", "incluant", "portant", "ayant", "contenant", "impliquant", "tenant", "composé de", et autres, doivent être comprises comme étant ouvertes, c'est-à-dire comme signifiant incluant mais non limité à. Seules les expressions transitoires "consistant en" et "consistant essentiellement en" doivent être comprises comme des expressions transitoires fermées ou semi-fermées, respectivement.
Le but de l’invention est l’épuration poussée (appelé « polishing ») d’un gaz, par exemple du biométhane ou du gaz naturel en vue de sa liquéfaction. Les étapes d’un mode de réalisation 100 du procédé d’épuration objet de l’invention sont représentées en . Ces étapes sont effectuées successivement. Les exemples 1 à 3, qui suivent la description donnée en regard de la , illustrent des valeurs possibles de pressions, températures, débits et durées dans la colonne d’adsorption au cours des différentes étapes.
Au cours d’une étape 105, l’épuration du gaz est effectuée dans une colonne d’adsorption munie d’un tamis moléculaire, par injection de ce gaz à une première température d’adsorption T1, à une première pression P1, avec un premier débit D1. Préférentiellement, le sens de passage du gaz à épurer dans la colonne d’adsorption va du haut vers le bas.
On détermine que le tamis moléculaire est chargé en CO2lorsque le volume de gaz épuré sur le volume du tamis moléculaire atteint un ratio prédéterminé. En variante, on met en œuvre un capteur qui mesure la charge en CO2du tamis moléculaire ou l’efficacité de l’épuration.
Une fois le tamis moléculaire chargé de CO2et le passage du gaz à épurer arrêté, on peut extraire le tamis moléculaire chargé pour le remplacer par un tamis moléculaire régénéré puis reprendre l’étape 105.
Cependant, préférentiellement et comme représenté en , au cours d’une étape 110, on réalise une adaptation de pression à l’intérieur de la colonne à une deuxième pression P2 supérieure à un bara. On note que cette deuxième pression P2 sera, au cours l’étape 115, la pression de préchauffage. A cet effet, si la première pression d’adsorption P1 mise en œuvre au cours de l’étape 105 est supérieure à la deuxième pression P2, au cours de l’étape 115, on effectue une vidange partielle de la colonne jusqu’à ce que la pression dans la colonne soit égale à la deuxième pression P2. Au contraire, si la première pression P1 mise en œuvre au cours de l’étape 105 est inférieure à la deuxième pression P2, au cours de l’étape 115, on injecte du gaz de préchauffage dans la colonne à une pression supérieure ou égale à la deuxième pression P2, jusqu’à ce que la pression dans la colonne soit égale à la deuxième pression P2.
Au cours de l’étape 115, on préchauffe le tamis moléculaire et la colonne d’adsorption en faisant circuler, à un deuxième débit D2, un gaz de préchauffage à la deuxième pression P2 et à une deuxième température T2. On note que la deuxième température T2 est supérieure à la première température T1 et correspond à la température de régénération mise en œuvre au cours de l’étape de régénération 125. Le deuxième débit D2 est préférentiellement supérieur ou égal au premier débit D1. Préférentiellement, le sens de circulation de ce gaz de préchauffage au cours de l’étape 115 et, le cas échéant, au cours de l’étape 110, est opposé au sens de circulation du gaz à épurer pendant l’étape 105. On note que le gaz de préchauffage présente préférentiellement un taux de CO2inférieur à 40%mol.
Au cours d’une étape de dépressurisation 120, on réduit la pression à l’intérieur de la colonne jusqu’à une troisième pression P3 inférieure à la deuxième pression P2 et préférentiellement supérieure à un bara. Dans des variantes, l’étape 120 est optionnelle, les valeurs de P2 et P3 étant égales. Cependant, l’égalité de la pression P3, de régénération, avec la pression P1, d’adsorption, est préférentielle et la pression P2 est plus faible que les pressions P1 et P3, par exemple égale à la pression du flash-gaz final, par exemple de l’ordre de deux bara.
A cet effet, on effectue une vidange partielle de la colonne, préférentiellement par évacuation de gaz de préchauffage en sens inverse du sens de passage du gaz à épurer au cours de l’étape d’adsorption.
Au cours d’une étape 125 de régénération du tamis moléculaire, on fait passer un gaz de régénération à travers la colonne à une troisième température T3 sous la troisième pression P3, avec un troisième débit D3. Le gaz de régénération présente un taux de CO2préférentiellement inférieur à 100 ppm. Préférentiellement, le sens de passage du gaz de régénération, au cours de l’étape 125 est opposé au sens de passage du gaz à épurer au cours de l’étape 105.
On détermine que le tamis moléculaire est régénéré lorsque le volume de gaz de régénération sur le volume du tamis moléculaire atteint un ratio prédéterminé. En variante, on met en œuvre un capteur qui mesure la charge en CO2du tamis moléculaire ou l’efficacité de la régénération.
Par exemple, la durée de la phase d’adsorption est inférieure à 50 minutes et la durée de la régénération est inférieure à 40 minutes, avec les caractéristiques suivantes du procédé :
- Débit D1 de biométhane (par exemple du biogaz ayant subi une épuration de masse) à épurer, de 250 Nm3/h avec 2.5%mol de CO2;
- T1, température d’adsorption après refroidissement = -50°C ;
- masse de tamis moléculaire de 13X de 27 kg ;
- T3, température de régénération, égale à 20 °C ;
- Débit D3, de régénération, de 400 Nm3/h ;
- Débit D2, de préchauffage, de 400 Nm3/h (40%mol de CO2et 60%mol de CH4) ;
- T2, température de préchauffage de 20°C ;
- Débit D4, de prérefroidissement de 50 Nm3/h ; et
- T4, température de prérefroidissement, de -80°C .
Une fois le tamis moléculaire régénéré, au cours d’une étape de pré-refroidissement 130, on fait passer à travers la colonne un gaz de pré-refroidissement, à une température préférentiellement inférieure ou égale à la première température T1, d’adsorption, et, encore plus préférentiellement, inférieure d’au moins 30°C à la température T1. Par exemple, si l’adsorption se fait à -20 °C, la température du gaz de pré-refroidissement est préférentiellement inférieure ou égale à -20 °C et, encore plus préférentiellement inférieure ou égale à -50°C.
Préférentiellement :
- le gaz de pré-refroidissement est identique au gaz de régénération,
- le sens de passage du gaz de pré-refroidissement est opposé au sens de passage du gaz à épurer au cours de l’étape 105,
et/ou
- le quatrième débit D4 de gaz de pré-refroidissement est supérieur au quart du premier débit D1 du gaz à épurer au cours de l’étape 105.
Au cours d’une étape 135 de re-pressurisation, on injecte du gaz à épurer dans la colonne à la première température T1, avec un cinquième débit D5 d’entrée, jusqu’à ce que la première pression P1 soit atteinte.
Puis on retourne à l’étape 105.
On détaille, ci-dessous, les valeurs des paramètres de fonctionnement (températures, pressions, débits et durées) de trois exemples de mise en œuvre du procédé d’épuration objet la présente invention. Les débits considérés sont des débits volumiques normalisés, à la température de 0°C et à la pression de 1,013 bara.
Exemple 1 : « régénération chaude » d’un gaz pouvant avoir jusqu’à 5%mol de CO2.
Dans cet exemple 1 :
- la première pression P1, d’adsorption, est supérieure à 15 bara et préférentiellement inférieure à 80 bara,
- la première température T1, d’adsorption, est comprise entre -80°C et -20°C,
- le premier débit D1, d’adsorption, est, par exemple, un débit de biométhane de 250 Nm3/h avec 2.5%mol de CO2pour une température T1, d’adsorption après refroidissement, de -50°C, une masse de tamis moléculaire 13X de 27 kg ; une température T3 de régénération, de 60°C et un débit D3 de régénération de 50 Nm3/h ; un débit D2, de préchauffage, de 400 Nm3/h (40%mol de CO2et 60%mol de CH4), une température T2, de préchauffage, de 60°C ; un débit D4 de prérefroidissement, de 50 Nm3/h et une température T4, de prérefroidissement, de -80°C,
- le gaz de préchauffage présente un taux de CO2inférieur à 50%mol,
- la deuxième pression P2, de préchauffage, est supérieure à un bara et, préférentiellement, inférieure à 80 bara,
- la deuxième température T2, de préchauffage, est supérieure à 60°C et, préférentiellement, inférieure à 120°C,
- le deuxième débit D2, de préchauffage, est supérieur ou égal au débit D1,
- le gaz de régénération présente un taux de CO2inférieur à 150 ppm,
- la troisième pression P3, de régénération, est supérieure à un bara (dans tous les cas de régénération chaude, exemples 1 et 2, la pression de régénération est inférieure ou égale à la pression d’adsorption),
- la troisième température T3, de régénération, est supérieure à 60°C et, préférentiellement, inférieure à 120°C,
- le troisième débit D3, de régénération, est préférentiellement, supérieur ou égal à 20 % du premier débit D1,
- la gaz de pré-refroidissement présente un taux de CO2inférieur à 150 ppm,
- la quatrième pression P4, de pré-refroidissement, est supérieure à un bara,
- la quatrième température T4, de pré-refroidissement, est préférentiellement, inférieure ou égale à la première température T1 et, encore plus préférentiellement, inférieure d’au moins 30°C à la première température T1,
- le quatrième débit D4, de pré-refroidissement, est supérieur ou égal à 25 % du premier débit D1,
- la re-pressurisation se fait, en entrée de la colonne, sous les conditions de l’adsorption, si ce n’est que la sortie de la colonne est fermée et que le débit D5, initialement égal à D1, décroît au fur et à mesure que la pression croît.
En termes de durées, la durée de l’étape 105 d’adsorption sert d’unité de référence :
- pour déterminer la durée de l’étape 115 de préchauffage, par exemple supérieure ou égale à 48% de la durée de l’étape 105,
- pour déterminer la durée de l’étape 125 de régénération, par exemple supérieure ou égale à 75% de la durée de l’étape 105, et
- pour déterminer la durée de l’étape 130 de pré-refroidissement, par exemple supérieure ou égale à 50% de la durée de l’étape 105.
Les durées des étapes 110, 120 et 135 sont préférentiellement supérieures à deux minutes. La surveillance du fonctionnement de la colonne est effectuée, pendant les étapes 110, 120 et 135, par un capteur de mesure de la pression interne de la colonne.
Dans ces conditions, si le gaz à épurer présente, en entrée de la colonne, une concentration de CO2compris entre 2,5%mol et 5%mol, le taux de CO2du gaz épuré, en sortie de la colonne, est sensiblement égal à 0,398 fois le taux du CO2dans le gaz à épurer plus 0,99. Si le gaz à épurer présente, en entrée de la colonne, un taux de CO2inférieur à 2,5%mol, le taux de CO2du gaz épuré en sortie de la colonne, est inférieur à 50 ppm.
Exemple 2 « régénération chaude » d’un gaz ayant un taux de CO2inférieur à 2,5%mol.
Dans cet exemple 2 :
- la première pression P1, d’adsorption, est de 40 bara,
- la première température T1, d’adsorption, est de -50°C,
- le premier débit D1, d’adsorption, est similaire à celui de l’exemple 1,
- le gaz de préchauffage présente un taux de CO2inférieur à 40%mol,
- la deuxième pression P2, de préchauffage, est supérieure ou égale à un bara,
- la deuxième température T2, de préchauffage, est de 80°C,
- le deuxième débit D2, de préchauffage, est égal à 1,6 fois D1,
- le gaz de régénération présente un taux de CO2égal à 100 ppm,
- la troisième pression P3, de régénération, est égale à deux bara,
- la troisième température T3, de régénération, est égale à 80°C,
- le troisième débit D3, de régénération, est égal à 30% du premier débit D1,
- la gaz de pré-refroidissement présente un taux de CO2égal à 100 ppm,
- la quatrième pression P4, de pré-refroidissement, est égale à deux bara,
- la quatrième température T4, de pré-refroidissement, est égale à -90°C,
- le quatrième débit D4, de pré-refroidissement, est égal à 33% du premier débit D1,
- la re-pressurisation se fait, en entrée de la colonne, sous les conditions de l’adsorption, si ce n’est que la sortie de la colonne est fermée et que le débit D5, initialement égal à D1, décroît au fur et à mesure que la pression croît.
En termes de durées, la durée de l’étape 105 d’adsorption sert d’unité de référence :
- pour déterminer la durée de l’étape 110, égale à 6% de la durée de l’étape 105, si cette valeur est supérieure à trois minutes et, sinon, de trois minutes,
- pour déterminer la durée de l’étape 115, de préchauffage, égale à la moitié de la durée de l’étape 105,
- pour déterminer la durée de l’étape 120, égale à 6% de la durée de l’étape 105, si cette valeur est supérieure à trois minutes et, sinon, de trois minutes,
- pour déterminer la durée de l’étape 125 de régénération, égale à 80% de la durée de l’étape 105,
- pour déterminer la durée de l’étape 130 de pré-refroidissement, égale à 55% de la durée de l’étape 105 et
- pour déterminer la durée de l’étape 135, égale à 6% de la durée de l’étape 105, si cette valeur est supérieure à trois minutes et, sinon, de trois minutes.
La circulation du gaz se fait, au cours de l’étape 105, du haut vers le bas de la colonne. La circulation de gaz de préchauffage, au cours de l’étape 115 et du gaz de régénération, au cours de l’étape 125, se fait du bas vers le haut de la colonne.
Dans ces conditions, le taux de CO2du gaz épuré en sortie de la colonne, est inférieur à 50 ppm.
Exemple 3 « régénération tiède » d’un gaz présentant un taux de CO2inférieur à 5%mol.
Dans cet exemple 3 :
- la première pression P1, d’adsorption, est supérieure à un bara, et, préférentiellement, inférieure à 80 bara,
- la première température T1, d’adsorption, est comprise entre -80°C et -20°C,
- le premier débit D1, d’adsorption, est un débit de biométhane de 250 Nm3/h avec 2.5%mol de CO2; pour une première température, T1, d’adsorption après refroidissement de -50°C ; une masse de tamis 13X de 27 kg ; Une température T3, de régénération, de 20 °C ; un débit D3, de régénération, de 400 Nm3/h ; un débit D2, de préchauffage, de 400 Nm3/h (40%mol de CO2et 60%mol de CH4) ; une température T2, de préchauffage = 20°C ; un débit D4, de prérefroidissement, de 50 Nm3/h, une température T4, de prérefroidissement, de -80°C ; une durée de la phase d’adsorption, inférieure à 50min et une durée de la phase de régénération inférieure à 40min,
- le gaz de préchauffage présente un taux de CO2inférieur à 50%mol,
- la deuxième pression P2, de préchauffage, est supérieure à un bara,
- la deuxième température T2, de préchauffage, est supérieure à 10°C, préférentiellement, inférieure à 80°C, et, encore plus préférentiellement, inférieure à 30°C,
- le deuxième débit D2, de préchauffage, est supérieur ou égal au débit D1,
- le gaz de régénération présente un taux de CO2inférieur à 150 ppm,
- la troisième pression P3, de régénération, est supérieure à un bara, et, préférentiellement, inférieure à 80 bara,
- la troisième température T3, de régénération, est supérieure à 10°C, préférentiellement, inférieure à 60°C et, encore plus préférentiellement, inférieure à 30°C,
- le troisième débit D3, de régénération, est supérieur ou égal à une fois et demie le premier débit D1,
- le gaz de pré-refroidissement présente un taux de CO2inférieur à 150 ppm,
- la quatrième pression P4, de pré-refroidissement, est supérieure à un bara,
- la quatrième température T4, de pré-refroidissement, est inférieure ou égale à la première température T1 et, préférentiellement, inférieure d’au moins 30°C à la première température T1,
- le quatrième débit D4, de pré-refroidissement, est, préférentiellement, supérieur ou égal à 20 % du premier débit D1,
- la re-pressurisation se fait, en entrée de la colonne, sous les conditions de l’adsorption, si ce n’est que la sortie de la colonne est fermée et que le débit D5, initialement égal à D1, décroît au fur et à mesure que la pression croît. La pression P4 de repressurisation est, préférentiellement, égale à la pression P1 d’adsorption.
En termes de durées, la durée de l’étape 105 d’adsorption sert d’unité de référence :
- pour déterminer la durée de l’étape 115 de préchauffage, par exemple supérieure ou égale à 40% de la durée de l’étape 105,
- pour déterminer la durée de l’étape 125 de régénération, par exemple supérieure ou égale à 75% de la durée de l’étape 105, et
- pour déterminer la durée de l’étape 130 de pré-refroidissement, par exemple supérieure ou égale à 40% de la durée de l’étape 105.
Les durées des étapes 110, 120 et 135 sont préférentiellement supérieures à deux minutes. La surveillance du fonctionnement de la colonne est effectuée, pendant les étapes 110, 120 et 135, par un capteur de mesure de la pression interne de la colonne.
Dans ces conditions, si le gaz à épurer présente, en entrée de la colonne, une concentration de CO2compris entre 2,5%mol et 5%mol, le taux de CO2du gaz épuré, en sortie de la colonne, est sensiblement égal à 0,398 fois le taux du CO2dans le gaz à épurer plus 0,99. Si le gaz à épurer présente, en entrée de la colonne, un taux de CO2inférieur à 2,5%mol, le taux de CO2du gaz épuré en sortie de la colonne, est inférieur à 50 ppm.
On note que le débit de régénération D3 est réduit :
- en régénération chaude (T≥ 60°C), le débit de régénération D3 est supérieur ou égal à un quart, par exemple un tiers dans l’exemple 2, du débit d’adsorption D1 (débits exprimés en Nm3/h),
- en régénération tiède (60°C > T ≥ 10°C), le débit de régénération D3 est supérieur ou égal à 1,5 fois le débit d’adsorption (débits exprimés en Nm3/h).
Dans ce dernier cas, la durée de régénération étant supérieure à 0,75 fois la durée d’adsorption, la quantité de gaz (durée x débit) est plus importante pour la régénération (0,75 * 1,5 = 1,125) que pour l’adsorption (1 x 1 = 1). Le gaz de régénération ne peut donc pas être le gaz à épurer. On utilise donc un autre gaz, pour la régénération, par exemple de l’azote.
La illustre un mode de réalisation préférentiel d’un dispositif objet de l’invention appliqué à l’épuration en CO2poussée (étape de « polishing ») d’un gaz, par exemple en vue de sa liquéfaction. En , quatre colonnes 205, 215, 225 et 235 sont montées en parallèle. Ces colonnes sont isolées thermiquement pour réduire le flux de chaleur perdue à moins de 120 W/m2en moyenne.
Une canalisation 241 est dédiée à l’entrée de gaz à épurer. Une canalisation 242 est dédiée à l’évacuation de gaz de pré-refroidissement.
Une canalisation 243 est dédiée à l’évacuation de gaz de préchauffage et de dépressurisation. Une canalisation 244 est dédiée à l’évacuation de gaz de régénération. Une canalisation 245 est dédiée à l’entrée de gaz de régénération. Une canalisation 246 est dédiée à l’entrée de gaz de préchauffage. Une canalisation 247 est dédiée à l’entrée de gaz de pré-refroidissement. Une canalisation 248 est dédiée à la sortie de gaz épuré.
Un jeu d’électrovannes 201 à 204, 206 à 209, 211 à 214, 216 à 219, 221 à 224, 226 à 229, 231 à 234 et 236 à 239 permet d’orienter les flux de gaz depuis n’importe quelle canalisation d’entrée vers n’importe quelle colonne 205, 215, 225 ou 235, et depuis n’importe quelle colonne 205, 215, 225 ou 235, vers n’importe quelle canalisation de sortie. Grâce à ce jeu de vannes, chaque colonne 205, 215, 225 ou 235 passe par les différentes phases décrites en , ce qui permet d’assurer une épuration en continu, puisqu’en permanence l’une des colonnes 205, 215, 225 ou 235 est en phase d’adsorption.
Dans le cas de l’épuration du biogaz ou biométhane :
- le gaz de préchauffage est le biogaz prétraité, après épuration de l’eau H2O, du tétrahydrothiophène THT, du sulfure d’hydrogène H2S, préchauffé par un moyen de chauffage, par exemple par récupération de chaleur et/ou chauffage d’appoint dédié ;
- le gaz de régénération est, par exemple, le « end-flash gas » (ou flash-gaz final) issu de la détente finale du gaz naturel liquéfié (GNL) après une étape de sous-refroidissement. On rappelle que, en réfrigération, le flash-gaz final est un réfrigérant sous forme de gaz produit spontanément lorsque le liquide condensé est soumis à l'ébullition. Ce flash-gas final est réchauffé à la troisième température avant de participer à la régénération du tamis moléculaire ; et
- le fluide de pré-refroidissement est, par exemple, le flux d’end-flash gas et/ou un appoint de GNL.
Grâce à la mise en œuvre de l’invention, on améliore le procédé TSA car la chaleur utilisée pour régénérer les tamis est limitée et on utilise un refroidissement moyen (entre -20°C et -80°C) pour :
- augmenter la capacité d’adsorption en CO2des tamis moléculaires classiques, par exemple un zéolithe 13X,
- réduire la taille de la colonne et la quantité de tamis associée, et
- faciliter la régénération de ces tamis : en effet, le niveau de température de chaleur requis pour la régénération est abaissé, par exemple jusqu’à seulement 60°C, voire 10°C pour la régénération tiède (exemple 3).
Les avantages de ce procédé comportent :
- la réduction du besoin de chaleur et la facilitation de la récupération de la chaleur sur des systèmes classiques connexes, par exemple, la récupération de la chaleur dégagée par le compresseur du gaz à épurer,
- une meilleure compacité : la taille de la colonne et la quantité de zéolithes associée sont réduites par rapport à la situation non cryogénique, et
- une géométrie de colonne simple car la section de passage de gaz peut être constante (aux entrées/sorties près) et il n’y a donc pas d’enveloppe extérieure à dessiner spécifiquement pour la colonne.
Avec le dispositif 200 illustré en , on épure le gaz en CO2de manière continue pour un flux de gaz entrant continu présentant un taux de CO2inférieur à 5%mol jusqu’à un taux de CO2inférieur à 3%mol en sortie d’épuration et préférentiellement, on épure en CO2de manière continue un flux de gaz entrant avec un taux de CO2inférieur à 2,5%mol jusqu’à un taux de CO2inférieur à 50 ppm en sortie d’épuration.
Bien entendu, on peut prévoir, au prix d’une plus grande complexité, de mettre en série deux colonnes d’épuration pour obtenir des épurations successives menant à moins de 50 ppm de CO2.
On observe, en , un mode de réalisation particulier d’un dispositif 300 de liquéfaction de gaz objet de l’invention, sous forme d’un schéma-bloc. Le biogaz à épurer passe par un moyen de prétraitement 305 qui en retire l’eau, le THT et le sulfure d’hydrogène. Puis, un compresseur 310 comprime le gaz à épurer à la pression P2 et un échangeur de chaleur 315 réchauffe le gaz comprimé pour qu’il atteigne la température T2 à la pression P2. Le gaz à épurer est injecté dans le dispositif d’épuration 320. Par exemple, si le dispositif 320 comporte le dispositif 200 illustré en , le gaz à épurer est injecté par la canalisation 246. La canalisation 243 est reliée à un moyen 325 d’épuration CO2de masse. L’épuration de masse du CO2est l’épuration du biogaz c’est-à-dire l’épuration qui fait passer le taux de CO2de 40%mol à 2.5%mol typiquement. C’est, par exemple, un système membranaire ou à lavage, à l’eau, aux amines ou avec un solvant spécifique. La sortie de ce moyen 325 passe par un premier échangeur de chaleur de refroidissement, ou precooling, 330 qui met le gaz à épurer à la température T1 sous la pression P1, avant qu’il soit injecté dans le dispositif 320 par l’intermédiaire de la canalisation 241 et qu’il ressorte, épuré, par la canalisation 248. Le gaz épuré passe ensuite dans un deuxième échangeur de chaleur de refroidissement, ou precooling, 335, par un moyen de liquéfaction 340 et par un échangeur de chaleur de sous-refroidissement, ou subcooling, 345. Une vanne 350 mène le gaz liquéfié à un réservoir intermédiaire 355 qui alimente un réservoir de stockage 360, d’une part, et, par l’intermédiaire d’un échangeur de chaleur 370 et d’une électrovanne 375, à la canalisation d’entrée de gaz de régénération 245 du dispositif d’épuration 320, d’autre part. L’end-flash gas issu du réservoir de stockage 360 alimente la canalisation 247 du dispositif d’épuration 320. Alternativement, grâce à une électrovanne 365, l’end-flash gas issu du réservoir intermédiaire 355 alimente la canalisation 247 du dispositif d’épuration.
Les fluides de régénération et pré-refroidissement sont injectés en amont du compresseur de biogaz. En particulier, le gaz de régénération une fois chargé en CO2repart en amont du compresseur car il est à basse pression. Les fluides de régénération et de pré-refroidissement ne polluent pas le biogaz car leur teneur en CO2est moindre que celle du biogaz qui est partiellement épuré par l’épuration de masse CO2, ce qui évite toute accumulation de CO2dans le biométhane en entrée de polishing ou precooling 1.
On observe, en , des étapes d’un mode de réalisation particulier d’un procédé 400 de liquéfaction de gaz objet de l’invention. Au cours d’une étape 405, le gaz à liquéfié subit un prétraitement d’épuration, notamment par retrait d’eau, de THT et de H2S. Au cours d’une étape 410, le gaz à liquéfier est comprimé. Au cours d’une étape 415, le gaz à liquéfier est mis en température et pression de préchauffage. Au cours d’une étape 420, le gaz à liquéfier réalise le préchauffage de la colonne d’épuration. Au cours d’une étape 425, le gaz à liquéfier subit une épuration CO2de masse. Au cours d’une étape 430, le gaz à liquéfier fait l’objet d’un premier refroidissement, ou « precooling ». Au cours d’une étape 435, le gaz à liquéfier est épuré dans la colonne d’épuration. Au cours d’une étape 440, le gaz à liquéfier fait l’objet d’un deuxième refroidissement, ou « precooling ». Au cours d’une étape 445, le gaz est liquéfié. Au cours d’une étape 450, le gaz liquéfié fait l’objet d’un sous-refroidissement, ou « subcooling ». Au cours d’une étape 455, le gaz liquéfié fait l’objet d’une détente.
Dans un premier mode de réalisation, la majeure partie du gaz sortant de l’étape 455 est stocké au cours d’une étape 460. Une petite partie du gaz issu de l’étape 455 est utilisée pour la régénération du tamis moléculaire au cours d’une étape 465, après une étape 470 de pré-refroidissement de la colonne d’adsorption et une étape 475 de chauffage, par exemple par l’intermédiaire d’une récupération de chaleur. Le gaz de refroidissement est ensuite renvoyé à l’étape 410.
Dans un deuxième mode de réalisation, l’end-flash gas issu du stockage sert à pré-refroidir la colonne d’épuration, au cours d’une étape 480. Le gaz de refroidissement est ensuite renvoyé à l’étape 410.
Ainsi, dans le mode de réalisation illustré en , le dispositif 300 de liquéfaction comporte un circuit de récupération de flash-gas final depuis au moins un réservoir de gaz liquéfié, configuré pour fournir ce flash-gas final à chaque moyen de pré-refroidissement d’une colonne du dispositif d’épuration.
De plus, dans le mode de réalisation illustré en , le dispositif 300 de liquéfaction comporte un circuit de récupération de flash-gas final depuis au moins un réservoir de gaz liquéfié configuré pour, une fois ce flash-gas final réchauffé à la troisième température, fournir ce flash-gas final récupéré à chaque moyen de régénération d’une colonne du dispositif d’épuration.
On note que la présente invention s’applique particulièrement aux petites unités de production, soit pour des débits de gaz à traiter inférieurs à 2000 Nm3/h.
L’invention est particulièrement adaptée à l’épuration poussée du biométhane (typiquement un mélange gazeux en entrée de 96%mol de CH4; 0,2%mol O2, 0,8% N2et 3%mol CO2) mais il peut être appliqué pour n’importe quel flux de gaz dont les composants principaux se condensent sous forme liquide à des températures inférieures à -80°C à la pression finale de stockage (typiquement à moins de 25 bara de pression). Ces composants principaux sont, par exemple, du méthane, de l’éthane, de l’azote, de l’oxygène, de l’éthane ou de l’éthylène.

Claims (17)

  1. Dispositif (200) d’épuration de gaz par adsorption froide de dioxyde de carbone (CO2), caractérisé en ce qu’il comporte :
    - au moins une colonne (205, 215, 225, 235) munie d’un tamis moléculaire configuré pour adsorber du dioxyde de carbone à une première température d’adsorption (T1) comprise entre -20°C et -80°C et à une première pression d’adsorption (P1), et
    - un moyen (241, 248, 201 à 204, 211 à 214, 221 à 224, 231 à 234, 206 à 209, 216 à 219, 226 à 229, 236 à 239) d’épuration du gaz à épurer par injection, avec un premier débit (D1), dans la colonne à la première température et à la première pression.
  2. Dispositif (200) selon la revendication 1, qui comporte, de plus :
    - un moyen de mise de la colonne sous une deuxième pression (P2) supérieure à un bara,
    - un moyen (243, 246, 201 à 204, 211 à 214, 221 à 224, 231 à 234, 206 à 209, 216 à 219, 226 à 229, 236 à 239) de préchauffage de la colonne sous la deuxième pression à une deuxième température (T2) supérieure à 10°C,
    - un moyen de dépressurisation de la colonne préchauffée jusqu’à une troisième pression (P3),
    - un moyen (244, 245, 201 à 204, 211 à 214, 221 à 224, 231 à 234, 206 à 209, 216 à 219, 226 à 229, 236 à 239) de régénération du tamis par traversée de ce tamis par un gaz de régénération à la troisième pression à une troisième température (T3),
    - un moyen (242, 247, 201 à 204, 211 à 214, 221 à 224, 231 à 234, 206 à 209, 216 à 219, 226 à 229, 236 à 239) de pré-refroidissement de la colonne à une quatrième température (T4) et
    - un moyen de re-pressurisation de la colonne à la première température et à la première pression.
  3. Dispositif (200) selon la revendication 2, qui comporte au moins deux colonnes (205, 215, 225, 235) configurées pour fonctionner en décalage d’étapes, une colonne fonctionnant en épuration pendant qu’une autre colonne fonctionne en régénération.
  4. Dispositif (200) selon l’une des revendications 1 à 3, qui comporte, en entrée du moyen (241, 248, 201 à 204, 211 à 214, 221 à 224, 231 à 234, 206 à 209, 216 à 219, 226 à 229, 236 à 239) d’épuration de gaz, une source de gaz dont les composants principaux se condensent sous forme liquide à des températures inférieures à -80°C à la pression finale de stockage.
  5. Dispositif (200) selon l’une des revendications 1 à 4, qui comporte, en entrée du moyen (241, 248, 201 à 204, 211 à 214, 221 à 224, 231 à 234, 206 à 209, 216 à 219, 226 à 229, 236 à 239) d’épuration de gaz, une source de gaz dont les composants principaux sont du biométhane, du méthane, de l’éthane, de l’azote, de l’oxygène et/ou de l’éthylène.
  6. Dispositif (200) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la première pression (P1), d’adsorption, est supérieure à 15 bara.
  7. Dispositif (200) selon l’une des revendications 2 ou 3 ou l’une des revendications 4 à 6 lorsqu’elles dépendent de la revendication 2, dans lequel la troisième pression (P3), de régénération, est inférieure à la première pression (P1), d’adsorption.
  8. Dispositif (200) selon l’une des revendications 2 ou 3 ou l’une des revendications 4 à 7 lorsqu’elles dépendent de la revendication 2, dans lequel la troisième température (T3), de régénération, est supérieure à 10°C et inférieure à 30°C.
  9. Dispositif (200) selon l’une des revendications 2 ou 3 ou l’une des revendications 4 à 8 lorsqu’elles dépendent de la revendication 2, dans lequel le moyen de régénération et le moyen d’épuration sont conjointement configurés pour que la durée de régénération soit inférieure à la durée d’adsorption.
  10. Dispositif (200) selon l’une des revendications 2 ou 3 ou l’une des revendications 4 à 9 lorsqu’elles dépendent de la revendication 2, dans lequel la troisième température (T3), de régénération, est supérieure à 60°C et le débit volumique normal, à la température de 0°C et à la pression de 1,013bara, de régénération est inférieur à la moitié du débit volumique normal d’adsorption.
  11. Dispositif (200) selon l’une des revendications 2 ou 3 ou l’une des revendications 4 à 9 lorsqu’elles dépendent de la revendication 2, dans lequel la troisième température (T3), de régénération, est supérieure à 10°C et inférieure à 60°C et le débit volumique normal, à la température de 0°C et à la pression de 1,013bara, de régénération est supérieur au débit volumique normal d’adsorption.
  12. Dispositif (300) de liquéfaction d’un gaz, qui comporte :
    - un dispositif (200) d’épuration selon l’une des revendications 2 ou 3 ou l’une des revendications 4 à 11 lorsqu’elles dépendent de la revendication 2,
    - un compresseur (310) du gaz à liquéfier,
    - un échangeur (315) de chaleur mettant le gaz comprimé à la deuxième température (T2) et fournissant le gaz de préchauffage à chaque moyen (246) de préchauffage d’une colonne d’épuration (205, 215, 225, 235) du dispositif d’épuration,
    - un échangeur (330) de chaleur configuré pour recevoir le gaz de préchauffage ayant traversé la colonne d’épuration, configuré pour réaliser un premier refroidissement precooling de ce gaz et pour le fournir à chaque moyen d’épuration d’une colonne d’épuration du dispositif d’épuration,
    - un échangeur (335) de chaleur configuré pour recevoir le gaz épuré ayant traversé le dispositif d’épuration, configuré pour réaliser un deuxième refroidissement precooling du gaz épuré,
    - un moyen (340) de liquéfaction du gaz épuré après le deuxième refroidissement, et
    - un échangeur (345) de chaleur configuré pour réaliser un sous-refroidissement subcooling du gaz liquéfié et pour le fournir à au moins un réservoir de gaz liquéfié.
  13. Dispositif (300) de liquéfaction selon la revendication 12, qui comporte, de plus, un circuit de récupération de flash-gas final depuis au moins un réservoir (360) de gaz liquéfié, configuré pour fournir ce flash-gas final à chaque moyen (247) de pré-refroidissement d’une colonne (205, 215, 225, 235) du dispositif (200) d’épuration.
  14. Dispositif (300) de liquéfaction selon l’une des revendications 12 ou 13, qui comporte, de plus, un circuit de récupération de flash-gas final depuis au moins un réservoir (360) de gaz liquéfié configuré pour, une fois ce flash-gas final réchauffé à la troisième température (T3), fournir ce flash-gas final récupéré à chaque moyen (245) de régénération d’une colonne (205, 215, 225, 235) du dispositif (200) d’épuration.
  15. Procédé (100) d’épuration de gaz par adsorption froide de dioxyde de carbone (CO2), dans au moins une colonne (205, 215, 225, 235) munie d’un tamis moléculaire configuré pour adsorber du dioxyde de carbone à une première température (T1) d’adsorption comprise entre -20°C et -80°C et à une première pression (P1) d’adsorption, procédé caractérisé en ce qu’il comporte une étape (105) d’épuration du gaz à épurer par injection, avec un premier débit (D1), dans la colonne à la première température et à la première pression.
  16. Procédé (100) selon la revendication 15, qui comporte, de plus :
    - une étape (110) de mise de la colonne (205, 215, 225, 235) sous une deuxième pression (P2) supérieure à un bara,
    - une étape (115) de préchauffage de la colonne sous la deuxième pression à une deuxième température supérieure à 10°C,
    - une étape (120) de dépressurisation de la colonne préchauffée jusqu’à une troisième pression (P3),
    - une étape (125) de régénération du tamis par traversée de ce tamis par un gaz de régénération à la troisième pression à une troisième température (T3),
    - une étape (130) de pré-refroidissement de la colonne à une quatrième température (T4) et
    - une étape (135) de re-pressurisation de la colonne à la première température et à la première pression.
  17. Procédé (400) de liquéfaction d’un gaz qui comporte :
    - le procédé (100) d’épuration selon la revendication 16,
    - une étape (410) de compression du gaz à liquéfier,
    - une étape (415) de mise du gaz comprimé à la deuxième température (T2) pour fournir le gaz de préchauffage de l’étape (115) de préchauffage du procédé d’épuration,
    - une étape (430) de premier refroidissement precooling du gaz de préchauffage ayant réalisé l’étape de préchauffage pour réaliser, sur ce gaz, les étapes du procédé d’épuration,
    - une étape (440) de deuxième refroidissement precooling du gaz épuré,
    - une étape (445) de liquéfaction du gaz après son deuxième refroidissement,
    - une étape (450 à 460) de sous-refroidissement subcooling du gaz liquéfié et de stockage du gaz liquéfié sous-refroidi dans un réservoir de gaz liquéfié, et
    - une étape de recyclage du gaz utilisé pendant une étape de pré-refroidissement en amont de l’étape de compression.
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