CARBONE

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

La présente invention vise un dispositif et un procédé de liquéfaction d’un flux de dioxyde de carbone. Elle s’applique, notamment, au stockage du dioxyde de carbone sous forme liquide.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE

La production d’hydrogène par vaporeformage s’accompagne d’un dégagement de dioxyde de carbone.

Le développement de la filière de production d’hydrogène requiert un contrôle strict du « cycle de vie ». Ce contrôle impose le captage et le conditionnement du dioxyde de carbone pour réduire les émissions de gaz à effet de serre du procédé.

Par ailleurs, le marché actuel du dioxyde de carbone est en croissance, promu par les besoins et industries suivants, de manière non exhaustive :

- Récupération assistée de pétrole (en expansion, notamment pour l’exploitation des champs offshore, et ceux en fin de vie)

- Pharmacie

- Alimentaire

- Engrais

- Production de caoutchouc

- Matériel contre incendie

Les besoins sont mondiaux, et il en découle la nécessité d’atteindre les régions lointaines et/ou isolées. La liquéfaction du dioxyde de carbone est généralement choisie pour transporter du dioxyde de carbone liquide à des volumes inférieurs à 1500 m ³ . La capacité de transport est limitée en particulier par les technologies de production et de stockage de dioxyde de carbone disponibles.

Le moyen de transport retenu présente un impact sur les conditions opératoires à respecter pendant la période stockage du dioxyde de carbone. En effet, les conditions de stockage varient en fonction du mode de transport. Le transport du dioxyde de carbone par bateau est mûr à l’échelle commerciale pour des volumes inférieurs à environ 1500 m ³ (environ 1750 tonnes). Le dioxyde de carbone y est transporté à une pression de 15 à 20 bar (la pression baisse lorsque le volume de stockage croît) et une température comprise entre -22°C et -30°C. Les technologies utilisées empruntent les techniques et l’expérience opérationnelle des navires de transport GPL (pour « gaz de pétrole liquéfié »)

Des capacités plus importantes de navires ont été considérées (de 40 000 à 100 000m ³ ) dans le cadre de projets d’étude de faisabilité de capture du dioxyde de carbone, mais aucune référence opérationnelle n’existe à ce jour.

À cette échelle, le dioxyde de carbone doit être transporté à plus faible pression (entre 7 et 9 bar préférentiellement) et à une température avoisinant -55°C. Or la technologie actuellement déployée de liquéfaction de dioxyde de carbone ne permet pas d’atteindre ce niveau de température. De plus, la technologie actuelle est basée sur l’utilisation d’un réfrigérant externe présentant un danger de toxicité. OBJET 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 de liquéfaction d’un flux de gaz comportant au moins 70% de dioxyde de carbone, qui comporte :

- un compresseur du flux à une pression supérieure à 70 bar, configuré pour que le flux comportant du dioxyde de carbone soit dans un état supercritique,

- un échangeur thermique entre le flux comportant du dioxyde de carbone et un flux de liquide réfrigérant externe ou de dioxyde de carbone, ledit dioxyde de carbone étant configuré pour agir en tant qu’auto-réfrigérant ou en tant que réfrigérant direct et

- un circuit fermé de circulation du liquide réfrigérant externe, qui comporte :

- une première sortie de l’échangeur thermique,

- un compresseur du flux de liquide réfrigérant issu de la première sortie de l’échangeur thermique et

- un moyen de refroidissement et de condensation au moins partielle du flux de liquide réfrigérant comprimé,

Grâce à ces dispositions : - le dispositif opère un dioxyde de carbone à l’état supercritique, état dans lequel le dioxyde de carbone est dans une phase homogène entre les états liquide et vapeur ; ceci permet de réduire la consommation énergétique à fournir pour liquéfier le dioxyde de carbone (sous la pression et température critique, la transition de phase est énergivore pour vaincre la chaleur latente de transition de phase) et

- le dioxyde de carbone atteint une température suffisamment basse pour permettre le transport de dioxyde de carbone liquide à grande échelle ; Ceci permet également de rendre possible techniquement et viable économiquement le transport de dioxyde de carbone à grande distance (le dioxyde de carbone plus froid est également plus dense, donc pour un même volume de stockage nous obtiendrons une quantité en masse de produit plus importante). Ceci pourrait permettre d’atteindre des marchés éloignés, vers lesquels le transport par pipelines ne peut pas être envisagé car non économique.

De plus, le fait d’utiliser un dioxyde de carbone à l’état supercritique permet de réduire la taille des équipements, obtenant ainsi une solution compacte.

Enfin, les émissions en gaz à effet de serre du procédé sont négligeables. Dans des modes de réalisation, le circuit fermé comporte, de plus :

- une première entrée dans l’échangeur thermique du flux de liquide réfrigérant refroidi et au moins partiellement condensé,

- une deuxième sortie de l’échangeur thermique,

- un moyen de détente du flux de liquide réfrigérant issu de la deuxième sortie et

- une deuxième entrée dans l’échangeur thermique du flux de liquide réfrigérant détendu.

Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte, en sortie de l’échangeur thermique, un moyen de détente du flux comportant du dioxyde de carbone liquéfié.

Dans des modes de réalisation, le moyen de détente est une turbine de détente configurée pour entraîner mécaniquement, via un arbre, un compresseur.

Ces modes de réalisation permettent de recycler une partie de l’énergie de détente en énergie de compression. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte, en aval de la sortie de l’échangeur thermique, un ballon de séparation de phases gaz-liquide du flux comportant du dioxyde de carbone liquéfié.

Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte une conduite de recirculation d’au moins une partie de la phase gazeuse du flux comportant du dioxyde de carbone présent dans le ballon de séparation vers l’amont du compresseur.

Ces modes de réalisation permettent d’augmenter le rendement du dispositif.

Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte un échangeur de chaleur, positionné entre le compresseur et l’échangeur thermique, du flux comportant du dioxyde de carbone comprimé configuré pour refroidir le flux comportant du dioxyde de carbone.

Ces modes de réalisation permettent de maintenir le flux comportant du dioxyde de carbone comprimé à une température permettant une liquéfaction optimale du dioxyde de carbone.

Dans des modes de réalisation, le flux de liquide réfrigérant détendu circule à contre-courant du flux comportant du dioxyde de carbone dans l’échangeur thermique.

Ces modes de réalisation augmentent la performance de l’échange thermique. Dans des modes de réalisation, le liquide réfrigérant comporte du propylène, de l’éthylène ou de l’éthane.

Ces modes de réalisation évitent l’utilisation de composés réfrigérants toxiques.

Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte, en amont de l’échangeur thermique, un moyen de détente du flux comportant du dioxyde de carbone comprimé.

Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte :

- une déviation d’au moins une partie du flux comportant du dioxyde de carbone comprimé,

- un échangeur de chaleur du flux dévié configuré pour refroidir ce flux,

- un détendeur du flux dévié refroidi et

- un ballon secondaire de séparation de phases gaz-liquide du flux comportant du dioxyde de carbone dévié détendu. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte une conduite de recirculation d’au moins une partie de la phase gazeuse du flux comportant du dioxyde de carbone présent dans le ballon secondaire de séparation vers l’amont du compresseur.

Ces modes de réalisation améliorent le rendement global du dispositif.

Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte une conduite de fourniture d’au moins une partie de la phase liquide du flux comportant du dioxyde de carbone présent dans le ballon secondaire de séparation vers l’échangeur thermique, le flux comportant du dioxyde de carbone fourni à l’échangeur thermique étant configuré pour refroidir le flux comportant du dioxyde de carbone comprimé d’une part et le liquide réfrigérant d’autre part.

Ces modes de réalisation augmentent l’efficacité énergétique du dispositif. Dans des modes de réalisation, le flux comportant du dioxyde de carbone liquide fourni à l’échangeur thermique circule à contre-courant du flux comportant du dioxyde de carbone comprimé traversant l’échangeur thermique.

Ces modes de réalisation améliorent l’efficacité de l’échange thermique.

Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte une conduite de circulation flux comportant du dioxyde de carbone, fourni par la conduite de fourniture, en sortie l’échangeur thermique vers le compresseur du flux comportant du dioxyde de carbone.

Ces modes de réalisation améliorent le rendement global du dispositif.

Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de liquéfaction d’un flux comportant au moins 70 % de dioxyde de carbone, qui comporte :

- une étape de compression du flux à une pression supérieure à 70 bar pour que le flux comportant du dioxyde de carbone soit dans un état supercritique,

- une étape d’échange thermique entre le flux comportant du dioxyde de carbone et un flux de liquide réfrigérant externe ou de dioxyde de carbone, ledit dioxyde de carbone étant configuré pour agir en tant qu’auto-réfrigérant ou en tant que réfrigérant direct et

- une étape de circulation, en circuit fermé, du liquide réfrigérant externe, qui comporte :

- une première étape de sortie de l’échangeur thermique, - une étape de compression du flux de liquide réfrigérant issu de la première sortie de l’échangeur thermique, et

- une étape de refroidissement et de condensation au moins partielle du flux de liquide réfrigérant comprimé.

Les buts, avantages et caractéristiques particulières du procédé objet de la présente invention étant similaires à ceux du dispositif objet de la présente invention, 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 dispositif et du procédé objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :

- la figure 1 représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention,

- la figure 2 représente, schématiquement, un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention et

- la figure 3 représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une succession d’étapes particulière du procédé objet de la présente invention.

DESCRIPTION D’EXEMPLES DE RÉALISATION 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.

On note dès à présent que les figures ne sont pas à l’échelle.

Dans la présente description, on appelle « flux de dioxyde de carbone », un flux comportant au moins en partie du dioxyde de carbone. Préférentiellement, ce flux comporte au moins 70% de dioxyde de carbone.

On rappelle ici qu’un « réfrigérant direct » et que le mécanisme « d’auto- réfrigération » pointent un mécanisme identique dans lequel un fluide à refroidir agit comme son propre réfrigérant sans nécessiter un réfrigérant externe.

On observe, sur la figure 1 , qui n’est pas à l’échelle, une vue schématique d’un mode de réalisation du dispositif 100 objet de la présente invention. Ce dispositif 100 de liquéfaction d’un flux de de gaz comportant au moins 70% dioxyde de carbone, comporte :

- un compresseur 105 du flux à une pression supérieure à 70 bar, configuré pour que le flux comportant du dioxyde de carbone soit dans un état supercritique,

- un échangeur 110 thermique entre le flux comportant du dioxyde de carbone et un flux de liquide réfrigérant externe ou de dioxyde de carbone, comme représenté en figure 2, ledit dioxyde de carbone étant configuré pour agir en tant qu’auto-réfrigérant ou en tant que réfrigérant direct et

- un circuit 115 fermé de circulation du liquide réfrigérant externe, qui comporte :

- une première sortie 120 de l’échangeur thermique,

- un compresseur 125 du flux de liquide réfrigérant issu de la première sortie de l’échangeur thermique,

- un moyen 130 de refroidissement et de condensation au moins partielle du flux de liquide réfrigérant comprimé,

- une première entrée 135 dans l’échangeur thermique du flux de liquide réfrigérant refroidi et au moins partiellement condensé,

- une deuxième sortie 140 de l’échangeur thermique,

- un moyen 145 de détente du flux de liquide réfrigérant issu de la deuxième sortie et

- une deuxième entrée 150 dans l’échangeur thermique du flux de liquide réfrigérant détendu.

Préférentiellement, le flux de dioxyde de carbone est traité en amont de l’entrée dans le dispositif 100. Dans des variantes non représentées, le dispositif comporte un moyen de traitement du flux de dioxyde de carbone pour le porter aux conditions de spécifications de liquéfaction.

Le compresseur 105 est, par exemple, un compresseur centrifuge, optionnellement multi-étage et/ou avec refroidissement intermédiaire. Lorsqu’un tel refroidissement intermédiaire est mis en œuvre, ce refroidissement est réalisé, par exemple, par le biais d’échangeurs tubulaires avec de l’eau. Ce refroidissement est configuré pour que la température du flux de dioxyde de carbone en refoulement de la section de compression ne dépasse pas 200°C. Préférentiellement, le dioxyde de carbone est comprimé à une pression de 75 bar, de manière que le dioxyde de carbone atteigne un état supercritique. On rappelle qu’un état supercritique, en physique-chimie, est l'état de la matière lorsque cette matière est soumise à une forte pression ou température. On parle de fluide supercritique lorsqu'un fluide est chauffé au-delà de sa température critique et lorsqu'il est comprimé au-dessus de sa pression critique.

Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 1 , le dispositif 100 comporte un moyen 175 de détente du flux de dioxyde de carbone comprimé. Ce moyen 175 de détente est, par exemple, une vanne Joule-Thomson. Ce moyen de détente 175 est configuré, préférentiellement, pour abaisser la pression du flux de dioxyde de carbone comprimé à une pression de de l’ordre de 75 bar.

L’échangeur thermique 110 est, par exemple, un échangeur respectant la norme TEMA (pour « Tubular Exchanger Manufacturers Association », traduit par association des fabricants d’échangeurs tubulaires) ou un échangeur à plaque ou à ailettes en acier inoxydable.

Cet échangeur thermique 110 est configuré pour liquéfier au moins partiellement le flux de dioxyde de carbone par échange de chaleur avec le liquide réfrigérant externe agissant en tant que fluide froid dans cet échange. Le liquide réfrigérant comporte, par exemple, du propylène, de l’éthylène ou de l’éthane. Dans des modes de réalisation préférentiels, le liquide réfrigérant est formé d’un composé pur.

Pour assurer une liquéfaction continue du flux de dioxyde de carbone, le dispositif comporte le circuit 115 fermé de circulation du liquide réfrigérant externe.

Ce circuit 115 fermé connecte la première sortie 120 de liquide réfrigérant externe, issu de l’échangeur 110 thermique, au compresseur 125. Cette première sortie 120 est formée, par exemple, d’une connectique et d’une conduite configurées pour être connectées à l’échangeur 110 thermique. En sortie de l’échangeur 110 thermique, le liquide réfrigérant est dit « à basse pression ».

Le compresseur 125 est, par exemple, un compresseur centrifuge ou alternatif. Le choix de la technologie de compresseur 125 dépend du caractère intermittent ou permanent du flux de dioxyde de carbone dans le dispositif 100. Le compresseur 125 est configuré pour comprimer le flux de liquide réfrigérant à une pression d’environ 30 bar, préférentiellement, lorsque le liquide réfrigérant est de l’éthane.

Le moyen 130 de refroidissement et de condensation au moins partielle du flux de liquide réfrigérant comprimé est, par exemple, un échangeur à plaque ou à ailette utilisant de l’eau en guise de fluide froid.

La première entrée 135 est formée, par exemple, d’une connectique et d’une conduite configurées pour être connectées à l’échangeur 110 thermique. Le flux de liquide réfrigérant participe, au sein de l’échangeur 110 thermique, au refroidissement du flux de dioxyde de carbone.

Le liquide réfrigérant chauffé dans l’échangeur 110 thermique traverse la deuxième sortie 140 pour être fourni au moyen 145 de détente. Cette deuxième sortie 140 est formée, par exemple, d’une connectique et d’une conduite configurées pour être connectées à l’échangeur 110 thermique.

Dans des modes de réalisation préférentiels, le flux de liquide réfrigérant détendu circule à contre-courant du flux de dioxyde de carbone dans l’échangeur 110 thermique.

Le moyen 145 de détente est, par exemple, une vanne Joule-Thomson configurée pour détendre le liquide réfrigérant à une pression déterminée. Cette pression est, par exemple, de l’ordre de 4 bar.

Le liquide réfrigérant ainsi détendu est fourni à la deuxième entrée 150 pour participer au refroidissement du flux de dioxyde de carbone puis être fourni à la première sortie 120 et ainsi former le circuit 115.

Dans des modes de réalisation préférentiels, tel que celui représenté en figure 1 , le dispositif 100 comporte, en sortie de l’échangeur thermique, un moyen 155 de détente du flux de dioxyde de carbone liquéfié.

Le moyen 155 de détente est, par exemple, une turbine de détente ou une vanne Joule-Thomson. Une telle détente provoquant la vaporisation d’une partie du flux de dioxyde de carbone liquéfié, le dispositif 100 comporte préférentiellement en aval de l’échangeur 110 thermique, un ballon 160 de séparation de phases gaz- liquide du flux de dioxyde de carbone liquéfié.

Le ballon 160 de séparation est de tout type connu de l’Homme du Métier. Ce ballon 160 de séparation est configuré pour que la partie liquide du dioxyde de carbone soit fournie, par exemple, à un réservoir de stockage, à une pression supérieure ou égale à 8 bar.

Dans les variantes où le moyen 155 de détente est une turbine de détente, cette turbine de détente est configurée pour entraîner mécaniquement, via un arbre (non représenté), un compresseur, 125 et/ou 105.

Dans des modes de réalisation préférentiels, tel que celui représenté en figure 1 , le dispositif 100 comporte une conduite 165 de recirculation d’au moins une partie de la phase gazeuse du dioxyde de carbone présent dans le ballon 160 de séparation vers l’amont du compresseur 105.

Cette conduite 165 de recirculation est, par exemple, un circuit connecté à une partie haute du ballon 160 de séparation configurée pour injecter le dioxyde de carbone gazeux dans le flux de dioxyde de carbone en entrée du dispositif 100.

Dans des variantes, le dispositif 100 comporte une pompe configurée pour entraîner la recirculation du dioxyde de carbone gazeux dans la conduite 165 de recirculation.

Dans des modes de réalisation préférentiels, tel que celui représenté en figure 1 , le dispositif 100 comporte un échangeur 170 de chaleur, positionné entre le compresseur 105 et l’échangeur 110 thermique, du flux de dioxyde de carbone comprimé configuré pour refroidir le flux de dioxyde de carbone.

L’échangeur de chaleur 170 est, par exemple, un échangeur tubulaire avec de l’eau en tant que fluide froid ou de l’eau. Cet échangeur de chaleur est configuré pour, par exemple, refroidir le dioxyde de carbone à une température inférieure à 200°C.

Une variante du dispositif 100 représenté en figure 1 est représentée en figure 2.

Dans cette variante, le dispositif 200 comporte, en plus de tout ou partie des caractéristiques du dispositif 100 tel que représenté en figure 1 :

- une déviation 205 d’au moins une partie du flux de dioxyde de carbone comprimé,

- un échangeur 210 de chaleur du flux dévié configuré pour refroidir ce flux,

- un détendeur 215 du flux dévié refroidi et

- un ballon 220 secondaire de séparation de phases gaz-liquide du flux de dioxyde de carbone dévié détendu. La déviation 205 est, par exemple, formée d’une conduite dirigeant une partie du flux de dioxyde de carbone comprimé. Cette déviation est configurée, par exemple, pour dévier environ 20% du flux de dioxyde de carbone. Le taux de déviation peut être prédéterminé ou variable. Dans le cas d’un taux de déviation variable, le dispositif 200 comporte un organe de déviation d’une partie du flux de dioxyde de carbone.

Le flux dévié est fourni à l’échangeur 210 de chaleur. Cet échangeur 210 de chaleur est, par exemple, un échangeur à ailettes ou à plaques contre de l’air ou de l’eau.

Plus la température de refroidissement dans l’échangeur 210 est basse et meilleure sont les performances. La température de refroidissement dépend du média disponible. Dans des variantes préférentielles, de l’eau à une température de 15°C est utilisée.

Le détendeur 215 est, par exemple, une vanne Joule-Thomson. Ce détendeur 215 est configuré pour réduire la pression du flux de dioxyde de carbone à une température de l’ordre de 8 bar, par exemple. En sortie de ce détendeur 215, le flux de dioxyde de carbone est ainsi au moins partiellement liquéfié.

Ce flux est fourni au ballon 220 secondaire de séparation. Ce ballon 220 présente une fonction similaire au ballon 160 tel que décrit en regard de la figure 1.

Dans des modes de réalisation préférentiels, tel que celui représenté en figure

2, le dispositif 200 comporte une conduite 225 de recirculation d’au moins une partie de la phase gazeuse du dioxyde de carbone présent dans le ballon 220 secondaire de séparation vers l’amont du compresseur 105.

La conduite 225 de recirculation est analogue, en fonctionnement et en matériel, à la conduite 165 de recirculation décrite en regard de la figure 1.

Dans des modes de réalisation préférentiels, tel que celui représenté en figure 2, le dispositif 200 comporte une conduite 230 de fourniture d’au moins une partie de la phase liquide du dioxyde de carbone présent dans le ballon 220 secondaire de séparation vers l’échangeur 110 thermique, le dioxyde de carbone fourni à l’échangeur thermique étant configuré pour refroidir le flux de dioxyde de carbone comprimé d’une part et le liquide réfrigérant d’autre part.

Dans ces modes de réalisation, l’échangeur 110 thermique peut comporter des échangeurs de type tubes à calandres ou échangeurs à plaques ou à ailettes en acier inoxydable, par exemple. La vaporisation de la fraction liquide du dioxyde de carbone, en cascade avec un réfrigérant externe permet de refroidir le flux principal de dioxyde de carbone ainsi que le réfrigérant externe.

Dans des modes de réalisation préférentiels, le dioxyde de carbone liquide fourni à l’échangeur 110 thermique circule à contre-courant du dioxyde de carbone comprimé traversant l’échangeur thermique.

Dans des modes de réalisation préférentiels, tel que celui représenté en figure 2, le dispositif 200 comporte une conduite 235 de circulation du dioxyde de carbone, fourni par la conduite 230 de fourniture, en sortie l’échangeur 110 thermique vers le compresseur 105 du dioxyde de carbone.

Dans des variantes non représentées de la figure 2, le dispositif 200 ne comporte pas de circuit 115 fermé de circulation de liquide réfrigérant externe.

On observe, en figure 3, schématiquement, un mode de réalisation du procédé 300 objet de la présente invention. Ce procédé 300 de liquéfaction d’un flux comportant au moins 70 % de dioxyde de carbone comporte :

- une étape 305 de compression du flux à une pression supérieure à 70 bar pour que le flux comportant du dioxyde de carbone soit dans un état supercritique,

- une étape 310 d’échange thermique entre le flux de dioxyde de carbone et un flux de liquide réfrigérant externe ou de dioxyde de carbone, ledit dioxyde de carbone étant configuré pour agir en tant qu’auto-réfrigérant ou en tant que réfrigérant direct et

- une étape 315 de circulation, en circuit fermé, du liquide réfrigérant externe, qui comporte :

- une première étape 320 de sortie de l’échangeur thermique, - une étape 325 de compression du flux de liquide réfrigérant issu de la première sortie de l’échangeur thermique,

- une étape 330 de refroidissement et de condensation au moins partielle du flux de liquide réfrigérant comprimé,

- une première étape 335 d’entrée dans l’échangeur thermique du flux de liquide réfrigérant refroidi et au moins partiellement condensé,

- une deuxième étape 340 de sortie de l’échangeur thermique,

- une étape 345 de détente du flux de liquide réfrigérant issu de la deuxième sortie et - une deuxième étape 350 d’entrée dans l’échangeur thermique du flux de liquide réfrigérant détendu.

Ce procédé 300 est réalisé, par exemple, par la mise en œuvre de l’un des dispositifs 100 ou 200 tel que décrit en regard des figures 1 ou 2.