WO2011083242A1 - Method for purifying gas containing carbon dioxide - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a process for purifying a gas in whole or in part of its CO 2 by backwashing a solvent thus producing a purified gas and a solvent loaded with CO 2 and in which the solvent loaded is subsequently regenerated.
- the invention will apply in the same manner to any other process for extracting CO 2 by washing and then regenerating the solvent (purisol, etc.).
- the regeneration of the solvent is carried out by expansion and / or by entrainment by a gas (stripping in English language) - in general nitrogen - which will degas the CO 2 of the solvent.
- the solvent is then purer, and therefore more likely to be recycled to the adsorption column: in fact, the less it contains CO 2 , the more it will be able to extract the fluid to be treated. In some applications, the solvent is even drawn to vacuum to extract the maximum amount of CO 2 .
- J. Menzel EP1606041 It is known from J. Menzel EP1606041 to recover at least a portion of the CO 2 at an intermediate pressure between the gas washing pressure from which it is desired to extract the CO 2 and the solvent regeneration pressure. This solution reduces the disadvantages mentioned above, but these, although diminished, remain.
- the present invention aims to further reduce the costs of solvent regeneration when it can be accompanied by a recovery of CO2 at relatively high pressure or liquefied form.
- the invention consists in regenerating at least a portion of the solvent charged with CO2, not by lowering the pressure, but by heating, by indirect heating, the solvent.
- the CO2 is thus recovered substantially at the pressure of the solvent.
- the liquid phase still contains CO2 and can be relaxed later to extract more.
- the gaseous phase contains solvent and can be cooled to condense it.
- the solvent can then be finely regenerated in a recooling column with reflux and condenser at the top, as is conventionally used in a conventional scheme.
- the CO2 can be treated in a compression and purification unit to be made available under the conditions required for future use - for example transport for underground sequestration. During this CO2 purification operation, entrained gases can be extracted from the CO2 to be usefully recycled upstream of the process and minimize losses of the gas that is to be purified of its CO2.
- thermal integrations have been found which ensure an economically optimized operation of the installation implementing the method.
- the compression energy gain achieved by extracting most of the CO2 at a pressure close to the pressure of the gas to be purified is partly spent, heating the solvent to extract the CO2, and then cooling the solvent so that it can again absorb CO2.
- step c) comprises at least the following steps:
- step (c2) liquid / vapor separation of the charged and heated solvent from step (c1) for the production of liquid flow Su . of solvent depleted in CO2 and at least one gas flow G G essentially containing gaseous CO2, but also at least a non-zero proportion of solvent.
- the pressure of the flow S1 G is less than the pressure of the gas of the step (a) of less than 5 bar, preferably less than 2 bar, and more preferably less than 0.5 bar, while being at a pressure greater than or equal to 8 bar abs.
- the process of the invention will thus make it possible to purify the gas of step (a) in other acid gases possibly present, among which, in particular, H 2 S and COS.
- the method of the invention may also contain an additional step (d) of purifying the gas flow S1 G from step (c2) to produce at least one richer liquid flow S2L in a solvent that the flow S1 G and a gaseous flow S2G richer in CO 2 than the flow S1 G, said step (d) comprising at least one step (d1) for cooling said flow S1 G until partial condensation, and minus a step (d2) for separating the cooled stream from step (d1) into a gas stream S2G that is richer in CO 2 than the stream S1 G and a liquid S2L that is richer in solvent than the stream S1 G.
- the pressure of the flow S2G is less than the pressure of the gas of step (a) of less than 5 bar, preferably less than 2 bar and even more preferably less than 0.5 bar.
- the fraction S 1 L results in a non-zero fraction of CO 2 .
- the method additionally comprises a step of relaxation during which the liquid flow Su. is expanded to an intermediate pressure between the first separation pressure (step c1 -c2) and the final purification pressure of the solvent before it is sent to the top of the absorption column-so as to produce after separation a new gas stream S3G plus rich in CO 2 than S1 L and a new S3L liquid stream richer in solvent than Sn_.
- This technique differs from the state of the art in that the higher temperature is higher than is commonly practiced.
- a synthetic gas 1 available at a pressure greater than 9 bar abs (it can be much higher, and reach a pressure of the order of 80 bar) that it is desired to purify its CO2 by washing with methanol (solvent S).
- T1 CO2 S2G extracted from methanol can extract the recoverable gas 4 (typically hydrogen and carbon monoxide for a synthesis gas as in our example) and recycle them in syngas 1.
- Impurities other than CO2 extracted by the methanol wash are removed from the methanol in one T0 treatment unit. It is essentially water, carbonyl group, and other impurities soluble in water.
- the methanol S1 leaves section K1 at a temperature of the order of -40 ° C. and a pressure of 37 bar, it can contain about 18% vol of CO2. It is then heated to 100 ° C., in particular via exchangers E1 and E2, and passes into a phase separator V1. A gas phase S1 G and a liquid phase L1 G are recovered at the separator outlet.
- the gas phase S1 G contains almost half of the CO2 in gaseous form and under pressure.
- the liquid fraction S1 L at the separator outlet is expanded in the expansion element 10 at an intermediate pressure, the fluid thus expanded can be heated (possibly and not indicated in the figure).
- Cooling of the CO2-rich gas phase S1 G (or of the S3G gas phase) will allow the condensation recovery of most of the methanol entrained in the gas phase by the CO2 during the first high-temperature separations, in the phase separators. respectively V2 (treatment of S1 G) and V4 (treatment of S3G resulting from the separation of S1 L).
- the heat required to heat S1 from -40 ° C to 100 ° C in the example may come from any origin, but the invention provides a particularly interesting solution which consists of thermally integrating different hot and / or cold sources available on or at near the site. It will of course be a priority to recover the heat of the regenerated solvent. S0 to heat the solvent still charged with CO2 S1.
- These heat exchanges are schematically represented by the exchange lines E1 and E2.
- the flow S1 L, expanded in the member 10 is separated in the phase separator V3 in the gas phase S3G and the liquid phase S3L.
- the S3G gas phase is richer in CO2 than S1 L and the S3L liquid phase is richer in solvent than S1 L.
- the flow S3G can in turn be cooled in E2 and partially condensed, generating in the separator V4 the gas phases S4G and liquid S4L.
- the flow S3L is expanded to 1 1 and led into a distillation column 12 where the solvent will be regenerated to produce clean solvent S0 and able to purify - after cooling - the gas 1 (synthesis gas or gas to be purified from the step (a)).
- the distillation column 12 is equipped with a reboiler in the tank 12R and a top condenser 12W providing reflux in the distillation column.
- the purified solvent S0 can thus be cooled (E2, E1, 13) and then pumped into
- a part of the solvent S3L could possibly be purified only by a step of expansion, without reinforcement to be sent to an intermediate level in the absorption column KO or K1 as soon as intermediate purity is sufficient.
- the solvent can also be used partly in another column where one will seek to wash other acid gases, H 2 S or sulfur-containing organic compounds.
- the gas provided in step a) is here a synthesis gas produced for example by steam reforming, it can also be derived from the gasification of hydrocarbons, it can also be gas recovered from the sub- soil or landfill gas or any other gas capable of being treated according to the invention.
- this pressure will be between 50 and 1 10 bar depending on the temperature of the cold source which is typically available refrigeration water; it may also be the pressure of a pipe, which may exceed 200 bar absolute.
- the S5G gas fraction resulting from the purification of the solvent via the 12W overhead condenser is also recyclable to the CO2 compression and treatment unit T1.
- the compressed CO2 may be purified by cryogenic condensation (less than 0 ° C.) in the treatment unit T1. It will then be possible to extract the lighter gases 4 that may be entrained, such as CO or hydrogen. A distillation step of these elements is possible, the CO2 being recovered in the tank. These light elements, often valued as present in the gas 1 to be treated in step a) can be recycled.
- adsorption on suitable adsorbents activated carbons, zeolites, etc.
- the invention is also particularly advantageous if different arrangements are used to ensure an effective thermal integration with steps of the purification process or steps of the main process implemented, or steps of other processes, related to previous processes considered or implemented in the vicinity -being understood that by main process means the process producing said gas containing at least CO2, and the provision of which constitutes step a) of the purification process according to the invention, but also the downstream process for treating said gas, after purification.
- thermal integration variants there may be mentioned an integration by heat exchange between the hot fluids constituted by the regenerated solvent S0 and / or the flows S1 G, S3G and following (s) (when there is other stage (s) of relaxation envisaged (s) on the liquid flow) and the cold fluid consisting of the solvent S1 rich in CO2 from step (b) at the exit of the adsorption column.
- the fluid S1 can thus heat up from the operating temperature of the column K1 (approximately -40 ° C.) (stream S1) to ambient temperature in the exchanger E 1 while cooling the regenerated solvent S0.
- the CO2-rich solvent will then be heated in the exchanger E2 against the gas phases S1G, S3G (and any subsequent ones) and the regenerated solvent S0 at a temperature of about 80.degree. C., preferably 100.degree. vs. Finally, it will be necessary to complete the heating of S1 in a heater. It will also be necessary to complete the refrigeration of the purified solvent S0 in a refrigerant for use in step (b).
- CO2 cycle to provide the necessary cold for refrigeration of the purified solvent for use in step (b).
- the latter is traditionally brought by the expansion of the solvent and the extraction of CO2 at low pressure and by supplementing with ammonia refrigeration units in general.
- the presence of a compression of CO2 - in case of production of CO2 extracted at a supercritical pressure or in liquid form (equipment 16, 17 and other compressor possibly included in stage T1) - will indeed make it possible to integrate a refrigeration unit running on CO2 at a lower cost since it will only be necessary to enlarge an existing compressor to include the molecules of the CO2 refrigeration cycle.
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Abstract
Description
Procédé d'épuration d'un gaz contenant du dioxyde de carbone Process for purifying a gas containing carbon dioxide
La présente invention est relative à un procédé d'épuration d'un gaz en tout ou partie de son CO2 par lavage à contre-courant d'un solvant produisant ainsi un gaz épuré et un solvant chargé en CO2 et dans lequel le solvant chargé est en suite régénéré. The present invention relates to a process for purifying a gas in whole or in part of its CO 2 by backwashing a solvent thus producing a purified gas and a solvent loaded with CO 2 and in which the solvent loaded is subsequently regenerated.
Parmi les procédés d'épuration concernés, on citera par exemple les procédés aux aminés, mais aussi les procédés de type Selexol ou Rectisol. Ces procédés sont similaires en ce que les principales étapes sont : Among the purification processes concerned, there may be mentioned, for example, the amine processes, but also the processes of the Selexol or Rectisol type. These methods are similar in that the main steps are:
· lavage d'un gaz contenant du CO2 avec un solvant dans une colonne d'adsorption, · Washing a gas containing CO 2 with a solvent in an adsorption column,
• flash et rebouillage du solvant pour en extraire le CO2. • flash and reboil the solvent to extract the CO 2 .
L'invention s'appliquera de la même manière à tout autre procédé d'extraction du CO2 par lavage puis régénération du solvant (Purisol, etc.). The invention will apply in the same manner to any other process for extracting CO 2 by washing and then regenerating the solvent (purisol, etc.).
Dans les procédés habituels, la régénération du solvant s'effectue par détente et / ou par entraînement par un gaz (stripping en langue anglaise) - en général de l'azote - qui va dégazer le CO2 du solvant. Ces deux méthodes présentent le désavantage de produire le CO2 à une pression relativement basse, ou d ilué dans un fl ux d 'azote, ce qui n'est pas favorable à une valorisation ultérieure du CO2. In the usual processes, the regeneration of the solvent is carried out by expansion and / or by entrainment by a gas (stripping in English language) - in general nitrogen - which will degas the CO 2 of the solvent. These two methods have the disadvantage of producing CO 2 at a relatively low pressure, or of flowing in a nitrogen stream, which is not conducive to subsequent recovery of CO 2 .
La plupart du temps, plus le solvant est détendu, et plus grande est la quantité de CO2 libéré. Le solvant est alors plus pur, et donc plus à même d'être recyclé vers la colonne d'adsorption : en effet, moins il contient de CO2, plus il sera apte à en extraire du fluide à traiter. Dans certaines applications, le solvant est même tiré au vide pour en extraire le maximum de CO2. Most of the time, the more the solvent is relaxed, and the greater the amount of CO 2 released. The solvent is then purer, and therefore more likely to be recycled to the adsorption column: in fact, the less it contains CO 2 , the more it will be able to extract the fluid to be treated. In some applications, the solvent is even drawn to vacuum to extract the maximum amount of CO 2 .
L'inconvénient de ces solutions connues de régénération du solvant est - ainsi que nous l'avons rappelé ci-dessus -, que le CO2 est alors disponible à la pression atmosphérique, or, quelle que soit l'utilisation ultérieure du CO2 qui est faite (stockage souterrain après purification, utilisation dans le procédé ou autre), celle-ci nécessitera de comprimer le CO2. L'unité de compression, il en va de même de l'éventuelle purification finale, est coûteuse en investissements, et/ ou en opération car les équipements situés en amont de cette unité de compression ou de purification doivent traiter de très gros débits volumiques pu isq u e l e CO2 est d ispon ible à relativement basse pression et est éventuellement chargé d'azote. The disadvantage of these known solvent regeneration solutions is - as we have pointed out above - that CO 2 is then available at atmospheric pressure, regardless of the subsequent use of CO 2. is made (underground storage after purification, use in the process or other), it will require compression of CO 2 . The compression unit, the same applies to the eventual final purification, is expensive in investments, and / or in operation because the equipment located upstream of this compression or purification unit must deal with very large volume flow rates. CO2 is available at relatively low pressure and may be charged with nitrogen.
Il est connu de EP1606041 de J. Menzel de récupérer au moins une partie du CO2 à une pression intermédiaire entre la pression de lavage du gaz dont on souhaite extraire le CO2 et la pression de régénération du solvant. Cette solution diminue les désavantages cités ci-dessus, mais ceux-ci, quoique amoindris demeurent. It is known from J. Menzel EP1606041 to recover at least a portion of the CO 2 at an intermediate pressure between the gas washing pressure from which it is desired to extract the CO 2 and the solvent regeneration pressure. This solution reduces the disadvantages mentioned above, but these, although diminished, remain.
La présente invention vise à diminuer encore les coûts de la régénération du solvant quand celle-ci peut s'accompagner d'une valorisation de CO2 à relativement haute pression ou sous forme liquéfiée. The present invention aims to further reduce the costs of solvent regeneration when it can be accompanied by a recovery of CO2 at relatively high pressure or liquefied form.
L'invention consiste à régénérer au moins une partie du solvant chargé en CO2, non pas en abaissant la pression, mais en chauffant, par chauffage indirect, le solvant. Le CO2 est ainsi récupéré sensiblement à la pression du solvant. La phase liquide contient encore du CO2 et pourra être par la suite détendue pour en extraire d'avantage. La phase gazeuse contient du solvant et pourra être refroidie pour le condenser. Ainsi diverses opérations de chauffage, refroidissement, séparation liquide vapeur, et détente permettent de séparer le CO2 du solvant en conservant le maximum de pression dans le CO2. The invention consists in regenerating at least a portion of the solvent charged with CO2, not by lowering the pressure, but by heating, by indirect heating, the solvent. The CO2 is thus recovered substantially at the pressure of the solvent. The liquid phase still contains CO2 and can be relaxed later to extract more. The gaseous phase contains solvent and can be cooled to condense it. Thus, various heating, cooling, vapor-liquid separation and expansion operations make it possible to separate the CO2 from the solvent while maintaining the maximum pressure in the CO2.
Le solvant pourra être ensuite finement régénéré dans une colonne de d isti l l ation avec rebou il l ag e et condenseu r en tête, com m e el l e est classiquement utilisée dans un schéma traditionnel. The solvent can then be finely regenerated in a recooling column with reflux and condenser at the top, as is conventionally used in a conventional scheme.
Le CO2 pourra quant à lui être traité dans une unité de compression et de purification pour être mis à disposition dans les conditions requises pour un usage ultérieur - par exemple un transport en vue d'une séquestration souterraine. Lors de cette opération de purification du CO2, des gaz entraînés pourront être extraits du CO2 pour être utilement recyclés en amont du procédé et minimiser les pertes du gaz que l'on souhaite épurer de son CO2. The CO2 can be treated in a compression and purification unit to be made available under the conditions required for future use - for example transport for underground sequestration. During this CO2 purification operation, entrained gases can be extracted from the CO2 to be usefully recycled upstream of the process and minimize losses of the gas that is to be purified of its CO2.
Un autre avantage essentiel de l'invention - par rapport aux solutions classiques de l'état de l'art où le CO2, faute de valorisation, est mis à l'air dans une grande partie des installations existantes - réside dans la possibilité de faire appel, lors des différentes étapes d'échanges thermiques, à des intégrations thermiques du procédé. L'extraction à pression réduite, par détente du solvant, assure une autoréfrigération du solvant. Celle-ci est particulièrement mise à profit dans le procédé de lavage au méthanol . Another essential advantage of the invention - compared to conventional solutions of the state of the art where CO2 , for lack of recovery, is put in the air in a large part of the existing installations - lies in the possibility of making during the different stages of heat exchange, thermal integration of the process. Extraction at reduced pressure, by expansion of the solvent, ensures self-cooling of the solvent. This is particularly useful in the methanol washing process.
Dans le procédé selon l'invention, des intégrations thermiques ont été trouvées qui assurent un fonctionnement économiquement optim isé de l'installation mettant en œuvre le procédé. Ainsi, le gain d'énergie de compression réalisé en extrayant la majeure partie du CO2 à une pression proche de la pression du gaz à épurer est en partie consacré ,à chauffer le solvant pour en extraire le CO2, puis à refroidir le solvant afin qu'il puisse à nouveau absorber du CO2. In the method according to the invention, thermal integrations have been found which ensure an economically optimized operation of the installation implementing the method. Thus, the compression energy gain achieved by extracting most of the CO2 at a pressure close to the pressure of the gas to be purified is partly spent, heating the solvent to extract the CO2, and then cooling the solvent so that it can again absorb CO2.
Ainsi, selon l'invention, il est prévu un procédé d'épuration d'un gaz en tout ou partie de son CO2 comprenant au moins les étapes suivantes : Thus, according to the invention, there is provided a method of cleaning a gas in all or part of its CO2 comprising at least the following steps:
- une étape (a) de mise à disposition d'un gaz contenant au moins du CO2, à une pression supérieure ou égale à 9 bar abs, a step (a) of providing a gas containing at least CO2 at a pressure greater than or equal to 9 bar abs,
- une étape (b) d'épuration du gaz de l'étape (a) d'au moins une partie du CO2 par lavage à contre-courant par un solvant (agent d'absorption) S05, produisant ainsi un gaz épuré en au moins du CO2 et au moins un solvant S1 chargé en au moins du CO2, a step (b) of purifying the gas of step (a) of at least a portion of the CO 2 by backwashing with a solvent (absorption agent) SO 5, thereby producing a purified gas at less CO2 and at least one solvent S1 loaded with at least CO2,
- une étape (c) de régénération dudit solvant S0 durant laquelle une proportion non nulle du solvant S1 chargé en CO2 est débarrassée d'au moins une partie de son CO2 de sorte à produire au moins un flux liquide Su. de solvant appauvri en CO2 par rapport à S1 et au moins un flux gazeux SI G plus riche en CO2 que S1 , a step (c) of regeneration of said solvent S0 during which a non-zero proportion of the solvent S1 charged with CO2 is freed from at least a portion of its CO2 so as to produce at least one liquid flow Su . of solvent depleted in CO2 with respect to S1 and at least one gas stream G G richer in CO2 than S1,
caractérisé en ce que ladite étape c) comprend au moins les étapes suivantes : characterized in that said step c) comprises at least the following steps:
- au moins une étape (c1 ) de chauffage indirect de ladite proportion non nulle du solvant Si jusqu'à ébullition, et at least one step (c1) of indirectly heating said non-zero proportion of the solvent Si to boiling, and
- au moins une étape (c2) de séparation liquide/vapeur du solvant chargé et chauffé, issu de l'étape (c1 ) pour la production du flux liquide Su. de solvant appauvri en CO2 et au moins un flux gazeux SI G contenant essentiellement du CO2 gazeux, mais aussi au moins une proportion non nulle de solvant. - At least one step (c2) liquid / vapor separation of the charged and heated solvent from step (c1) for the production of liquid flow Su . of solvent depleted in CO2 and at least one gas flow G G essentially containing gaseous CO2, but also at least a non-zero proportion of solvent.
Avantageusement, la pression du flux S1 G est inférieure à la pression du gaz de l'étape (a) de moins de 5 bar, de préférence de moins de 2 bar, et plus préférentiellement de moins de 0,5 bar, tout en étant à une pression supérieure ou égale à 8 bar abs. Advantageously, the pressure of the flow S1 G is less than the pressure of the gas of the step (a) of less than 5 bar, preferably less than 2 bar, and more preferably less than 0.5 bar, while being at a pressure greater than or equal to 8 bar abs.
Outre le CO2, le procédé de l'invention permettra ainsi d'épurer le gaz de l'étape (a) en d'autres gaz acides éventuellement présents, parmi lesquels H2S et COS notamment. In addition to CO 2, the process of the invention will thus make it possible to purify the gas of step (a) in other acid gases possibly present, among which, in particular, H 2 S and COS.
La fraction S1 G entraîne une fraction non nulle de solvant. Un second aspect de l'invention vise à éviter la perte de ce solvant dans le CO2. Pour cela, selon une variante avantageuse, le procédé de l'invention peut ainsi contenir en outre une étape supplémentaire (d) de purification du flux gazeux S1 G issu de l'étape (c2) pour produire au moins un flux liquide S2L plus riche en solvant que le flux S1 G et un flux gazeux S2G plus riche en CO2 que le flux S1 G, ladite étape (d) comprenant au moins une étape (d1 ) de refroidissement dudit flux S1 G jusqu'à condensation partielle, et au moins une étape (d2) de séparation du flux refroidi issu de l'étape (d1 ) en un flux gazeux S2G plus riche en CO2 que le flux S1 G et un liquide S2L plus riche en solvant que le flux S1 G. Fraction S1 G causes a non-zero fraction of solvent. A second aspect of the invention aims to avoid the loss of this solvent in CO 2 . For this, according to an advantageous variant, the method of the invention may also contain an additional step (d) of purifying the gas flow S1 G from step (c2) to produce at least one richer liquid flow S2L in a solvent that the flow S1 G and a gaseous flow S2G richer in CO 2 than the flow S1 G, said step (d) comprising at least one step (d1) for cooling said flow S1 G until partial condensation, and minus a step (d2) for separating the cooled stream from step (d1) into a gas stream S2G that is richer in CO 2 than the stream S1 G and a liquid S2L that is richer in solvent than the stream S1 G.
Avantageusement, la pression du flux S2G est inférieure à la pression du gaz de l'étape (a) de moins de 5 bar, préférentiellement de moins de 2 bar et encore plus préférentiellement de moins de 0,5 bar. Advantageously, the pressure of the flow S2G is less than the pressure of the gas of step (a) of less than 5 bar, preferably less than 2 bar and even more preferably less than 0.5 bar.
La fraction S 1 L entraîne une fraction non nulle de CO2. Selon une variante préférée de l'invention qui vise à récupérer le CO2 contenu dans la fraction S1 L, le procédé comporte en sus une étape de détente durant laquelle le flux liquide Su. est détendu à une pression intermédiaire entre la première pression de séparation (étape c1 -c2) et la pression de purification finale du solvant avant son envoi en tête de la colonne d'absorption-de sorte à produire après séparation un nouveau flux gazeux S3G plus riche en CO2 que S1 L et un nouveau flux liquide S3L plus riche en solvant que Sn_. Cette technique diffère de l'état de l'art en ce que la température supérieure est supérieure à ce qui se pratique couramment. The fraction S 1 L results in a non-zero fraction of CO 2 . According to a preferred variant of the invention which aims at recovering the CO 2 contained in the fraction S1 L, the method additionally comprises a step of relaxation during which the liquid flow Su. is expanded to an intermediate pressure between the first separation pressure (step c1 -c2) and the final purification pressure of the solvent before it is sent to the top of the absorption column-so as to produce after separation a new gas stream S3G plus rich in CO 2 than S1 L and a new S3L liquid stream richer in solvent than Sn_. This technique differs from the state of the art in that the higher temperature is higher than is commonly practiced.
Selon une variante, il est possible de chauffer à nouveau le liquide S1 L pour en extraire une partie du CO2 en répétant les étapes c) et d). Un intérêt de chauffer en deux étapes consiste à éviter de chauffer tout le solvant S1 à la température maximale, réduisant ainsi la puissance thermique nécessaire pour atteindre la température la plus haute. On pourra séparer à nouveau les phases obtenues selon l'une des variantes ci-dessus, et la fraction gazeuse alors obtenue est à une pression inférieure à la pression du gaz de l'étape (a) de moins de 5 bar, préférentiellement 2 bar et préférentiellement encore 0,5 bar. Alternatively, it is possible to heat the liquid S1 L again to extract a portion of the CO 2 by repeating steps c) and d). An interest in heating in two steps is to avoid heating all the solvent S1 to the maximum temperature, thus reducing the thermal power necessary to reach the highest temperature. The phases obtained according to one of the above variants can be separated again, and the gaseous fraction then obtained is at a pressure lower than the pressure of the gas of step (a) of less than 5 bar, preferably 2 bar. and still more preferably 0.5 bar.
Les processus ci-dessus peuvent aussi être répétés sur les phases gazeuses. The above processes can also be repeated on the gaseous phases.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la figure jointe qui présente un schéma d'un procédé selon l'invention appliqué à un exemple - non limitatif - d'épuration d'un gaz de synthèse en son CO2 à l'aide de méthanol selon l'exemple décrit ci-dessous qui y fait référence. The invention will be better understood with the aid of the attached figure which presents a diagram of a process according to the invention applied to a nonlimiting example of purification of a synthesis gas in its CO2 using of methanol according to the example described below which refers to it.
La plupart des fluides et équipements y sont désignés par des chiffres, certains sont cependant désignés par des combinaisons de chiffres et de lettres. C'est en particulier le cas des différents fluides participant ou issus du traitement du solvant qui sont identifiés par la lettre S en combinaison avec d'autres lettres et/ ou chiffres. Certains équipements pourront aussi être désignés par des combinaisons formées par une lettre suivie de chiffres, dans le but de faciliter la lecture de la figure. Most fluids and equipment are designated by numbers, but some are designated by combinations of numbers and letters. This is particularly the case of the different fluids involved or resulting from the treatment of the solvent which are identified by the letter S in combination with other letters and / or numbers. Some equipment may also be designated by combinations formed by a letter followed by numbers, in order to facilitate the reading of the figure.
Ainsi, selon la figure, soit un gaz de synthèse 1 disponible à une pression supérieure à 9 bar abs (elle peut être très supérieure, et atteindre une pression de l'ordre de 80 bar) que l'on souhaite épurer de son CO2 par lavage au méthanol (solvant S). Thus, according to the figure, a synthetic gas 1 available at a pressure greater than 9 bar abs (it can be much higher, and reach a pressure of the order of 80 bar) that it is desired to purify its CO2 by washing with methanol (solvent S).
Remarque : Il est à noter que le lavage permettra de retirer de l'eau et différentes impuretés comme les groupes carbonyles ou certains métaux lourds dans une section inférieure KO d'une colonne d'absorption K, pour cela, il n'est pas nécessaire de disposer d'un solvant très propre, un solvant de qualité intermédiaire suffit ; dans la section supérieure K1 de la colonne, qui est la partie concernée par l'invention puisque c'est celle où se fait l'absorption du CO2, le solvant doit être propre (il s'agit de solvant S « neuf » ou de solvant S0 régénéré), le solvant « propre » permettra d'assurer une bonne pureté en gaz acides (CO2 mais aussi d'autres gaz acides, et en particulier H2S) du gaz 2 sortant purifié au niveau de la section K1 de la colonne d'absorption ) ; dans la suite de la description, on ne parlera que du CO2 ;: si le CO2 contient du soufre sous la forme d'H2S ou COS, il sera séparé quand nécessaire ainsi que décrit plus loin. Note: It should be noted that washing will remove water and various impurities such as carbonyl groups or some heavy metals in a lower section KO of an absorption column K, for this it is not necessary to have a very clean solvent, a solvent of intermediate quality is sufficient; in the upper section K1 of the column, which is the part concerned by the invention since it is the one where the CO2 absorption takes place, the solvent must be clean (it is solvent S "new" or regenerated S0 solvent), the "clean" solvent will ensure good purity acid gases (CO2 but also other acidic gases, and in particular H 2 S) outgoing purified gas 2 at section K1 of the absorption column); in the rest of the description, we will only talk about CO2 ; : if CO2 contains sulfur in the form of H 2 S or COS, it will be separated when necessary as described below.
Après régénération du méthanol - dont les différentes étapes sont détaillées ci-dessous -, le CO2 S2G est intégralement comprimé, purifié et mis en condition pour un transport par tuyau en phase dense (> 150 bar en général) sous la forme du produit 3. Le traitement de purification et conditionnement (essentiellement une mise en pression dans notre exemple, cela pourrait être une liquéfaction) T1 du CO2 S2G extrait du méthanol permet d'en extraire les gaz valorisables 4 (typiquement hydrogène et monoxyde de carbone pour un gaz de synthèse comme dans notre exemple) et de les recycler dans le gaz de synthèse 1 . Les impuretés autres que le CO2 extraites par le lavage au méthanol sont retirées du méthanol dans l 'un ité de traitement T0. I l s'agît essentiellement d'eau, de groupe carbonyle, et autres impuretés solubles dans l'eau. After regeneration of the methanol - the different stages of which are detailed below - CO2 S2G is fully compressed, purified and conditioned for transport by dense phase pipe (> 150 bar in general) in the form of product 3. The purification and conditioning treatment (essentially a pressurization in our example, this could be a liquefaction) T1 CO2 S2G extracted from methanol can extract the recoverable gas 4 (typically hydrogen and carbon monoxide for a synthesis gas as in our example) and recycle them in syngas 1. Impurities other than CO2 extracted by the methanol wash are removed from the methanol in one T0 treatment unit. It is essentially water, carbonyl group, and other impurities soluble in water.
Lorsque le méthanol S1 sort de la section K1 à une température de l'ordre de - 40°C et une pression de 37 bar, il peut contenir environ 18%vol de CO2. Il est alors chauffé à 100°C via notamment les échangeurs E1 et E2, passe dans un séparateur de phase V1 . On récupère en sortie de séparateur une phase gazeuse S1 G et une phase liquide L1 G. La phase gazeuse S1 G contient presque la moitié du CO2 sous forme gazeuse et sous pression. La fraction liquide S1 L en sortie de séparateur est détendue dans l'organe de détente 10 à une pression intermédiaire, le fluide ainsi détendu peut être réchauffé (éventuellement et non indiqué sur la figure). Le refroidissement de la phase gazeuse S1 G riche en CO2 (ou de la phase gazeuse S3G) permettra la récupération par condensation de l'essentiel du méthanol entraîné en phase gazeuse par le CO2 lors des premières séparations à température élevée, dans les séparateurs de phases respectivement V2 (traitement de S1 G) et V4 (traitement de S3G issu de la séparation de S1 L). When the methanol S1 leaves section K1 at a temperature of the order of -40 ° C. and a pressure of 37 bar, it can contain about 18% vol of CO2. It is then heated to 100 ° C., in particular via exchangers E1 and E2, and passes into a phase separator V1. A gas phase S1 G and a liquid phase L1 G are recovered at the separator outlet. The gas phase S1 G contains almost half of the CO2 in gaseous form and under pressure. The liquid fraction S1 L at the separator outlet is expanded in the expansion element 10 at an intermediate pressure, the fluid thus expanded can be heated (possibly and not indicated in the figure). Cooling of the CO2-rich gas phase S1 G (or of the S3G gas phase) will allow the condensation recovery of most of the methanol entrained in the gas phase by the CO2 during the first high-temperature separations, in the phase separators. respectively V2 (treatment of S1 G) and V4 (treatment of S3G resulting from the separation of S1 L).
La chaleur nécessaire pour chauffer S1 de -40°C à 100°C dans l'exemple peut provenir de toute origine, mais l'invention propose une solution particulièrement intéressante qui consiste à intégrer thermiquement différentes sources chaudes et / ou froides disponibles sur ou à proximité du site. Il conviendra bien entendu en priorité de récupérer la chaleur du solvant régénéré S0 pour chauffer le solvant encore chargé de CO2 S1 . Ces échanges de chaleur sont schématiquement représentés par les lignes d'échange E1 et E2. The heat required to heat S1 from -40 ° C to 100 ° C in the example may come from any origin, but the invention provides a particularly interesting solution which consists of thermally integrating different hot and / or cold sources available on or at near the site. It will of course be a priority to recover the heat of the regenerated solvent. S0 to heat the solvent still charged with CO2 S1. These heat exchanges are schematically represented by the exchange lines E1 and E2.
Selon l'exemple de la figure, le flux S1 L, détendu dans l'organe 10 est séparé dans le séparateur de phase V3 en la phase gazeuse S3G et la phase liquide S3L. La phase gazeuse S3G est plus riche en CO2 que S1 L et la phase liquide S3L est plus riche en solvant que S1 L. According to the example of the figure, the flow S1 L, expanded in the member 10 is separated in the phase separator V3 in the gas phase S3G and the liquid phase S3L. The S3G gas phase is richer in CO2 than S1 L and the S3L liquid phase is richer in solvent than S1 L.
Le flux S3G peut à son tour être refroidi en E2 et partiellement condensé, générant dans le séparateur V4 les phases gazeuse S4G et liquide S4L. The flow S3G can in turn be cooled in E2 and partially condensed, generating in the separator V4 the gas phases S4G and liquid S4L.
Le flux S3L est détendu en 1 1 et conduit dans une colonne de distillation 12 où le solvant va être régénéré pour produire le solvant S0 propre et apte à épurer - après refroidissement - le gaz 1 (gaz de synthèse ou gaz à épurer de l'étape (a)). La colonne de distillation 12 est équipée d'un rebouilleur en cuve 12R et d'un condenseur en tête 12W assurant le reflux dans la colonne de distillation. The flow S3L is expanded to 1 1 and led into a distillation column 12 where the solvent will be regenerated to produce clean solvent S0 and able to purify - after cooling - the gas 1 (synthesis gas or gas to be purified from the step (a)). The distillation column 12 is equipped with a reboiler in the tank 12R and a top condenser 12W providing reflux in the distillation column.
Le solvant S0 épuré peut ainsi être refroidi (E2, E1 , 13) puis pompé en The purified solvent S0 can thus be cooled (E2, E1, 13) and then pumped into
14 et envoyé dans la section K1 de la colonne d'absorption K . 14 and sent to the section K1 of the absorption column K.
Remarque : Une partie du solvant S3L pourrait éventuellement être épurée uniquement par une étape de détente, sans rebou illage pour être envoyé à un niveau intermédiaire dans la colonne d'absorption KO ou K1 dès lors qu'une pureté intermédiaire y est suffisante. ; le solvant peut aussi être utilisé en partie dans une autre colonne où l'on cherchera à laver d'autres gaz acides, H2S ou les composés organiques soufrés. Note: A part of the solvent S3L could possibly be purified only by a step of expansion, without reinforcement to be sent to an intermediate level in the absorption column KO or K1 as soon as intermediate purity is sufficient. ; the solvent can also be used partly in another column where one will seek to wash other acid gases, H 2 S or sulfur-containing organic compounds.
Le gaz mis à disposition à l'étape a) est ici un gaz de synthèse produit par exemple par reformage à la vapeur, il peut aussi être issu de la gazéification d'hydrocarbures, il peut s'agir aussi de gaz récupérés du sous-sol ou de gaz de décharge (« landfill gas ») ou de tout autre gaz apte à être traité selon l'invention. The gas provided in step a) is here a synthesis gas produced for example by steam reforming, it can also be derived from the gasification of hydrocarbons, it can also be gas recovered from the sub- soil or landfill gas or any other gas capable of being treated according to the invention.
En ce qui concerne les flux gazeux riches en CO2 (S2G, S4G, et autres si d'autres étapes de chauffage, détente, refroidissement sont envisagées), il conviendra dans un grand nombre d'appl ications de les amener tous à une pression supérieure. Ainsi, par exemple pour assurer la condensation du CO2, cette pression sera comprise entre 50 et 1 10 bar en fonction de la température de la source froide qui est typiquement de l'eau de réfrigération disponible ; cela pourra aussi être la pression d'une conduite, pouvant dépasser les 200 bar absolus. With regard to the gas streams rich in CO2 (S2G, S4G, and others if other stages of heating, expansion, cooling are envisaged), it will be appropriate in a large number of applications to bring them all to a higher pressure. . Thus, for example to ensure the condensation of CO2, this pressure will be between 50 and 1 10 bar depending on the temperature of the cold source which is typically available refrigeration water; it may also be the pressure of a pipe, which may exceed 200 bar absolute.
Notons que si les flux de CO2 n'ont pas vocation à être valorisés à haute pression, on peut envisager de les détendre en récupérant de l'énergie. Note that if the CO2 streams are not intended to be valued at high pressure, we can consider relaxing them by recovering energy.
La fraction gazeuse S5G issue de la purification du solvant via le condenseur en tête 12W est aussi recyclable vers l'unité de compression et de traitement T1 du CO2. The S5G gas fraction resulting from the purification of the solvent via the 12W overhead condenser is also recyclable to the CO2 compression and treatment unit T1.
Les compressions nécessaires pour égaliser les pressions des flux S2G, S4G et S5G dans notre exemple sont effectuées dans les compresseurs 15, 16. The compressions necessary to equalize the pressures of the streams S2G, S4G and S5G in our example are carried out in the compressors 15, 16.
Lors du refroidissement suivant la compression de la ou des phases gazeuses riches en CO2, dans les réfrigérants 17 et 18, il y aura à nouveau condensation du solvant entraîné. Ce solvant pourra être séparé dans les séparateurs de phase déjà mentionnés V4 et V2, puis recyclé en S2L et S4L directement dans la colonne 12 de purification finale du solvant par rebouillage. Upon cooling after compression of the CO2-rich gas phase (s) in the coolers 17 and 18, the entrained solvent will again be condensed. This solvent can be separated in the already mentioned phase separators V4 and V2, then recycled to S2L and S4L directly in the column 12 of final purification of the solvent by reboiling.
Ainsi qu'évoqué précédemment, le CO2 comprimé pourra être purifié par condensation cryogénique (inférieure à 0°C) dans l'unité de traitement T1 . On pourra alors extraire les gaz les plus légers 4 éventuellement entraînés comme le CO ou l'hydrogène. Une étape de distillation de ces éléments est envisageable, le CO2 étant récupéré en cuve. Ces éléments légers, souvent valorisâmes car présents dans le gaz 1 à traiter de l'étape a) peuvent y être recyclés. As mentioned above, the compressed CO2 may be purified by cryogenic condensation (less than 0 ° C.) in the treatment unit T1. It will then be possible to extract the lighter gases 4 that may be entrained, such as CO or hydrogen. A distillation step of these elements is possible, the CO2 being recovered in the tank. These light elements, often valued as present in the gas 1 to be treated in step a) can be recycled.
Un autre intérêt potentiel de l'invention est ainsi mis en évidence : un tel recyclage ne nécessiterait pas de compresseur dédié au recycle (compresseur de petite taille), en effet, la compression de ces gaz entraînés dans le solvant est assurée, au même titre que celle du CO2 par les compresseurs 16 et 16 et par les compresseurs intégrés à l'étape de purification T1 . Cela constitue donc un gain en investissement sur la récupération des gaz valorisâmes (H2, CO, etc.). Another potential interest of the invention is thus demonstrated: such a recycling would not require a compressor dedicated to recycling (small compressor), indeed, the compression of these gases entrained in the solvent is ensured, in the same way that of CO2 by the compressors 16 and 16 and the compressors integrated in the purification step T1. This therefore constitutes an investment gain on the recovery of the valorized gases (H 2 , CO, etc.).
Enfin, il faut souligner que dans l'éventualité où des éléments soufrés seraient présents dans le gaz 1 de l'étape a) deux stratégies différentes peuvent être adoptées : Finally, it should be noted that in the event that sulfur elements are present in the gas 1 of step a), two different strategies can be adopted:
- si ces éléments ne sont pas nuisibles, c'est-à-dire s'il est acceptable que les éléments soufrés restent dans le CO2 - pour une séquestration par exemple - le plus simple sera alors de ne pas prévoir d'étape de séparation additionnelle. - s'il est nécessaire, ou simplement souhaitable de séparer les éléments soufrés, plusieurs méthodes peuvent être proposées : - if these elements are not harmful, that is to say if it is acceptable for the sulfur elements to remain in the CO2 - for a sequestration for example - the simplest will then be not to envisage a separation step additional. - if it is necessary, or simply desirable to separate the sulfur elements, several methods can be proposed:
- une absorption avec une partie du solvant (comme présenté dans EP1606041 an absorption with a part of the solvent (as presented in EP1606041
- une distillation des éléments soufrés car ils sont en général plus lourds que le CO2. - Distillation of sulfur elements because they are generally heavier than CO2.
- une adsorption sur des adsorbants adaptés (charbons actifs, zéolites, etc.) adsorption on suitable adsorbents (activated carbons, zeolites, etc.)
L'invention est en outre particulièrement avantageuse si on fait appel à différents arrangements permettant d'assurer une intégration thermique efficace avec des étapes du procédé de purification ou des étapes du procédé principal mis en œuvre, ou des étapes d'autres procédés, liés aux précédents procédés considérés ou mis en œuvre à proximité -étant entendu que par procédé principal, on entend le procédé produisant ledit gaz contenant au moins du CO2, et dont la mise à disposition constitue l'étape a) du procédé d'épuration selon l'invention, mais aussi le procédé aval de traitement dudit gaz, après épuration. The invention is also particularly advantageous if different arrangements are used to ensure an effective thermal integration with steps of the purification process or steps of the main process implemented, or steps of other processes, related to previous processes considered or implemented in the vicinity -being understood that by main process means the process producing said gas containing at least CO2, and the provision of which constitutes step a) of the purification process according to the invention, but also the downstream process for treating said gas, after purification.
C'est ainsi que parm i les variantes d' intégration therm ique, on peut citer une intégration par échange de chaleur entre les fluides chauds constitués par le solvant régénéré S0 et/ ou les flux S1 G, S3G et suivant(s) (lorsqu'il y a d'autre(s) étape(s) de détente envisagée(s) sur les flux liquides) et le fluide froid constitué par le solvant S1 riche en CO2 issu de l'étape (b) à la sortie de la colonne d'adsorption . Le fluide S1 peut ainsi se réchauffer de la température d'opération de la colonne K1 (environ - 40°C) (flux S1 ) jusqu'à la température ambiante dans l'échangeur E 1 en refroid issant le solvant régénéré S0. Le solvant riche en CO2 sera ensu ite chauffé dans l'échangeur E2 contre les phases gazeuses S1 G, S3G (et éventuelles suivantes) et le solvant régénéré S0 j usqu 'à une tem pérature d'environ 80°C préférentiel lement 1 00°C. Il conviendra enfin de compléter le chauffage de S1 dans u n réchauffeur. Il conviendra aussi de compléter la réfrigération du solvant épuré S0 dans un réfrigérant en vue de utilisation pour l'étape (b). Thus, among the thermal integration variants, there may be mentioned an integration by heat exchange between the hot fluids constituted by the regenerated solvent S0 and / or the flows S1 G, S3G and following (s) (when there is other stage (s) of relaxation envisaged (s) on the liquid flow) and the cold fluid consisting of the solvent S1 rich in CO2 from step (b) at the exit of the adsorption column. The fluid S1 can thus heat up from the operating temperature of the column K1 (approximately -40 ° C.) (stream S1) to ambient temperature in the exchanger E 1 while cooling the regenerated solvent S0. The CO2-rich solvent will then be heated in the exchanger E2 against the gas phases S1G, S3G (and any subsequent ones) and the regenerated solvent S0 at a temperature of about 80.degree. C., preferably 100.degree. vs. Finally, it will be necessary to complete the heating of S1 in a heater. It will also be necessary to complete the refrigeration of the purified solvent S0 in a refrigerant for use in step (b).
Une autre variante intéressante consiste en l'utilisation d'un cycle CO2 pour apporter le froid nécessaire pour la réfrigération du solvant épuré en vue de son utilisation pour l'étape (b). Ce dernier est traditionnellement apporté par la détente du solvant et l'extraction du CO2 à basse pression et par des appoints à l'aide de groupes frigorifiques à l'ammoniaque en général. La présence d'une compression du CO2 - en cas de production du CO2 extrait à une pression supercritique ou sous forme liquide (équipements 16, 17 et autre compresseur éventuellement inclus dans l'étape T1 ) - permettra en effet d'intégrer un groupe frigorifique fonctionnant au CO2 à moindre coût puisqu'il ne s'ag ira pl us que de grossir un compresseur existant pour y inclure les molécules du cycle de réfrigération au CO2. Another interesting variation is the use of a CO2 cycle to provide the necessary cold for refrigeration of the purified solvent for use in step (b). The latter is traditionally brought by the expansion of the solvent and the extraction of CO2 at low pressure and by supplementing with ammonia refrigeration units in general. The presence of a compression of CO2 - in case of production of CO2 extracted at a supercritical pressure or in liquid form (equipment 16, 17 and other compressor possibly included in stage T1) - will indeed make it possible to integrate a refrigeration unit running on CO2 at a lower cost since it will only be necessary to enlarge an existing compressor to include the molecules of the CO2 refrigeration cycle.
Il peut aussi être avantageux d'utiliser de la chaleur de bas niveau pour le chauffage à ébullition du solvant dans l'étape c1 ainsi que des étapes de réchauffage, par exemple : It may also be advantageous to use low level heat for boiling the solvent in step c1 as well as reheating steps, for example:
- la chaleur de la vapeur basse pression prise sur le procédé de génération du gaz de synthèse, dans le cas où le gaz à purifier contenant du CO2 est du gaz de synthèse, the heat of the low pressure steam taken from the synthesis gas generation process, in the case where the gas to be purified containing CO2 is synthesis gas,
- la chaleur du gaz de synthèse lui-même avant son lavage avec le solvant selon l'étape(b) du procédé selon l'invention, the heat of the synthesis gas itself before being washed with the solvent according to step (b) of the process according to the invention,
- la chaleur du CO2 à des inter-étages de compression lorsque le CO2 extrait du solvant est comprimé (avant son éventuelle purification fine ou bien lors de la compression du CO2 vers une canalisation). - CO2 heat at compression inter-stages when the CO2 extracted from the solvent is compressed (before its possible fine purification or during the compression of CO2 to a pipe).
- l'intégration via un cycle approprié des énergies de rebouillage et de condensation (pour réduire la fraction de méthanol dans le CO2 gazeux) au niveau de la colonne K2. Etc the integration, via an appropriate cycle, of the reboiling and condensation energies (to reduce the fraction of methanol in gaseous CO2) at the level of the column K2. etc.
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