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" Transport et utilisation de gaz naturel liquéfié "
La présente invention concerne l'utilisation de gaz naturel liquéfié en vue de la synthèse de composés tels que l'ammoniac et analogues, et, en outre, l'utilisation du pouvoir réfrigérant disponible dans un gaz naturel liquéfié de ce genre afin de maintenir des conditions de réfrigéra- tion lors du stockage et du transport, de façon qu'il de- vienne commercialement possible de transporter efficacement et économiquement du gaz naturel sur de grandes distances entre une source abondante et un endroit manquant de gaz naturel convenable,,
La présente invention oonoerne aussi un procédé ap- plioable à la synthèse de l'ammoniac,,
de l'urée et de ma- tières semblables soit pour réduire le prix de revient soit
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pour augmenter la capacité des installations de production utilisées, de façon qu'il soit possible non seulement d'uti- liser le gaz naturel liquéfié comme une matière première de la synthèse mais aussi d'exploiter ce gaz naturel liquéfié comme une source d'énergie et de réfrigérant.
Le méthane liquéfié, qui est le constituant le plus .important des gaz naturels, est fréquemment utilisé comme une des matières premières dans la production, par synthèse, d'ammoniac anhydre et analogues. L'air est aussi utilisé comme une des matières premières du procédé, cet air pouvant, à un certain stade de sa préparation, être liquéfié.
La de- manderesse propose, afin de réduire les pressions nécessai- res aux différents stades de la production d'une matière telle que l'ammoniac anhydre, de manière, en particulier, à réduire la puissance nécessaire et le coût de la liquéfaction de l'air, que du méthane liquéfié puisse être utilisé comme réfrigérant dans le processus de liquéfaction de l'air par échange de chaleur ou par d'autres moyens grâce auxquels le méthane froid liquéfié à -161 C. oa le gaz froid s'évaporant du méthane liquéfié à environ cette même température soit utilisé pour produire la réfrigération nécessaire à la liqué- faotion de l'air.
La demanderesse propose aussi d'utiliser le méthane froid liquéfié ou le gaz froid s'évaporant du méthane liquéfié comme réfrigérant dans un dispositif de réfrigération ou dans un oondenseur d'ammoniac, ou les deux,, dans lesquels les gaz s'écoulent en venant de la chambre de synthèse ou du oonver- tisseur d'ammoniac. Au oas ou l'effet de réfrigération de la quantité de méthane liquéfié nécessaire comme matière première dans une installation déterminée est insuffisant pour produire tout l'effet de réfrigération demandé, du méthane froid li- quéfié suppiémentaire peut être évaporé dans l'installation
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et être utilisé comme oombastible dans cette installation ou ailleurs.
Jusqu'au moment où le liquide vaporisé est revenu dans sa phase gazeuse et est chauffé au point de pouvoir être utilisé comme combustible, il n'est disponible que comme ré- frigérant, et son utilisation comme réfrigérant est une façon pratique et efficace pour obtenir économiquement du méthane gazeux à partir du liquide froid disponible.
Par exemple, les machines de l'installation, qui com- prennent des compresseurs, des transporteurs et d'autres appa- reils, ainsi que de l'éclairage, peuvent être alimentées par du méthane gazeux utilisé comme combustible. Si on le désire, le méthane liquéfié qui doit 8tre utilisé sous forme gazeuse, à l'extérieur de l'installation, sous forme de combustible,, peut être réchauffé dans l'installation, ce réchauffement constituant une des opérations.
A ce point de vue, il est important de remarquer que le méthane liquide, en tant que partie de la transformation liquide-gaz sous forme de réfrigérant, peut très bien produire de l'énergie avant d'arriver à la combustion, par exemple par échange de calories. La régénération du gaz naturel liquéfié dans un évaporateur permet de oréer des pressions de gaz pou- vant être utilisées pour l'entraînement d'une turbine ou d'un moteur, d'une façon un peu analogue à l'utilisation de la vapeur.
Etant donné que, lorsque le méthane est utilisé en qualité de matière première dans un processus de synthèse de ce genre il doit souvent être injecté dans l'installation sous haute pression, le méthane liquéfié doit être évaporé dans un échangeur de ohaleur chauffé par du gaz ou un liquide à des températures plus basses provenant d'une autre partie du oyole de synthèse ou marne de l'extérieur de l'installation.
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Un principe important de l'invention réside, par con- séquent, dans l'utilisation du gaz naturel liquéfié comme matière première, comme réfrigérant en vue de la liquéfaction de l'air, comme réfrigérant en vue de la synthèse des matières produites, en vue de la production d'énergie avant combustion, en vue de la production d'énergie suite à la combustion, et en vue de l'utilisation de gaz naturel, non nécessaire comme matière première, en qualité de combustible pour le chauffage d'immeubles ou la production d'énergie.
Quoiqu'il soit connu de liquéfier de petites quantités de méthane ou de gaz naturel en laboratoire et que le transport de gaz liquéfiés de ce genre sono faible pression ait été sug- géré, la demanderesse propose de transporter des tonnes de gaz naturel liquéfié, comme décrit ci-après, vers une installation de synthèse, à moins 161 C. et environ à la pression atmosphé- rique. Le gaz liquéfié sert de matière première, de source de froid ou réfrigérant, de souroe d'énergie et de combustible.
De cette manière, le transport de gaz naturel liquéfié à la pression atmosphérique et à -161 C est avantageux et permet de réaliser des économies qui peuvent être résumées comme suit :
1. Une fabrique d'ammoniao peut être alimentée en gaz naturel sans devoir se trouver à l'endroit d'une pipe-line ou sans devoir nécessiter un pipe-line spécial, du fait qu'elle reçoit la quantité nécessaire de gaz naturel par transport par eau sous forme liquide,
2.
Le gaz naturel liquéfié à -161 C. peut être oomprimé à des niveaux de pression nécessaires dans la fabrique, en pompant le gaz sous forme liquide dans un réoipient jouant le rôle d'évaporateur, dans lequel le gaz naturel liquéfié est évaporé jusqu'à atteindre la pression désirée, la chaleur d'évaporation étant utilisée pour la réfrigération dans le processus de synthèse de l'ammoniao ou la liquéfaction d'autres gaz.
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@ 3. Le gaz naturel liquéfié peut être utilisé comme ré- frigérant en vue de la liquéfaction de l'air ou d'autres gaz, à l'effet d'obtenir l'azote et l'oxygène qui peuvent être utilisés dans la synthèse de l'ammoniac.
4. Un condenseur refroidi à l'eau est oourammant utili- sé pour refroidir le gaz circulant à la sortie d'un convertis- seur d'ammoniao afin de déplacer l'équilibre dans la direction de la synthèse de l'ammoniac et d'obtenir ainsi de l'ammoniao par condensation. L'effet de réfrigération du gaz naturel li- quéfié peut aussi être utilisé pour refroidir les vapeurs d'ammoniac sortantes et les gaz non convertis du condenseur refroidi à l'eau, ce qui permet la séparation efficace de l'ammoniac anhydre à une pression plus basse et le fonotion- nement du convertisseur d'ammoniac à pression réduite. Les gaz non convertis sont ensuite remis en commun dans le oyole par le convertisseur.
5. Le gaz naturel liquéfié, destiné à être utilisé comma combustible en finale, produit un effet de réfrigération sup- plémentaire qui peut être appliqué à la synthèse de l'ammoniao ou de l'urée ou à d'autres cas de réfrigération oomme la li- quéfaotion de l'air, de l'oxygène ou dtautres gaz.
6. L'effet de réfrigération du gaz naturel liquéfié alimentant uns usine d'ammoniac ou d'urée en qualité de matière première traitée et en qualité de combustible peut aussi être appliqué avantageusement à la liquéfaction de l'ammoniac pour le stockage à la pression atmosphérique à une température d'envi ron -161 C.
7. L'effet de réfrigération du gaz naturel liquéfié peut encore être utilisé pour réduire l'énergie requise pour comprimer l'azote et l'hydrogène sous les pressions élevées nécessaires dans le convertisseur de synthèse d'ammoniac, en réfrigérant et abaissant la température des gaz de synthèse
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pénétrant dans Installation de oompression.
L'invention a encore pour buts d'utiliser plus effica- oement les caractéristiques de réfrigération du gaz naturel liquéfié rendues disponibles par la conversion du gaz naturel liquéfié de l'état liquéfié à l'état gazeux à température élevée, de réduire le coût du transport du gaz naturel entre une source abondante et un endroit pauvre en gaz naturel, de conserver l'appareillage utilisé pour le transport de gaz na- turel liquéfié sur de grandes distances, et de rendra disponi- ble; à l'endroit de la source, un constituant froid en ébulli- tion qui est liquéfié suite à la conversion du gaz naturel li- quéfié froid en ébullition, de l'état liquéfié à l'état gazeux, à des températures élevées au point d'utilisation.
Ces bats, ainsi que d'autres buts et avantages de l'in- vention ressortiront clairement de la description d'une forme d'exécution de l'invention représentée, à titre d'exemple, aux dessins annexés, dans lesquels:
La figure 1 est une installation d'écoulement représen- tant l'application du gaz naturel liquéfié à la synthèse de l'ammoniac, et
La figure 2 est un schéma d'écoulement montrant les dif- férents stades d'un transport économique de gaz naturel liqué- fié d'une source abondante vers un endroit d'utilisation et de conservation de l'équipement et du matériel utilisés.
Une péniche 1 porte un réservoir de gaz naturel liquéfié isolé 2 servant à contenir de nombreuses tonnes de gaz liquide à environ -161 C. Bn cours d'utilisation du gaz naturel liqué- fié, à l'endroit de destination, la péniohe est amenée dans un dook voisin de l'installation de synthèse. Le gaz liquéfié est déchargé sous faible pression par un moyen convenable, par exemple un ensemble moteur-pompe 2a, non détaillé puisque celui-ci ne fait pas partie de la présente inventio n. Le gaz
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naturel liquéfié est déchargé des réservoirs isolés par une canalisation 3 vers une pompe à gaz naturel liquéfié 4 qui amène le gaz froid en ébullition, à travers le serpentin échangeur de chaleur 6 pour le gaz liquide, dans un éohangeur de chaleur ou évaporateur de gaz 7.
Le gaz évaporé à haute pression est déchargé de l'échan- geur de chaleur par une canalisation 8, de façon à être utilisé oomme matière première dans l'installation, comme combustible, ou comme source d'éne rgie. Le gaz se trouvant toujours à une température relativement basse, il peut être utilisé comme ré- frigérant dans l'installation de synthèse aux endroits néces- saires.
La référence 9 désigne une canalisation par laquelle de l'air de traitement ou de la vapeur ou du gaz, à faible pres- sion et température relativement élevée, pénètre dans l'échan- geur de ohaleur ou évaporateur 7 de façon à abaisser la tempé- rature tout en échangeant la chaleur nécessaire pour évaporer le gaz naturel liquéfié se trouvant dans le serpentin 6. De l'air, de la vapeur ou d'autres gaz de traitement froids et à basse pression sont amenés de l'échangeur de ohaleur 7, par une tuyauterie 10, dans le compresseur 11, de façon à en sortir sous forme d'air, de gaz ou de vapeur à haute pression et à température réduite.
Le gaz liquéfié fourni, à moins 161 C, à l'installation par la péniche, produit donc de la réfrigéra- tion, de la force motrioe ou de propulsion, de l'énergie combustible ainsi qu'une matière première à traiter.
La liquéfaction de l'air, de l'ammoniao ou d'autres va- peurs peut être réalisée par le procédé en oasoade utilisant la réfrigération disponible dans le gaz naturel liquéfié pour réduire encore la température de l'air, de l'ammoniac ou d'un autre gaz oomprimé, afin d'obtenir un état liquide. La liqué- faotion de ces autres gaz peut, au contraire, être obtenue par
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un procédé de dilatation des gaz froids comprimés à environ la pression atmosphérique, cette dilatation amenant un refroi- dissement supplémentaire.
La description donnée jusqu'ici concerne l'utilisation du gaz naturel liquéfié comme une source d'énergie servant à la mise en marche de l'équipement, comme une source de froid pour la condensation et la liquéfaction d'autres gaz traités ou synthétiques que l'on fait passer en relation d'échange thermique, à l'état vaporisé comme une source de combustible pour la production de chaleur et d'énergie, et, à l'état vapo- risé comme matière première dans la synthèse de l'ammoniac, de l'urée et de composés analogues.
Quoiqu'il soit important, du point de vue industriel, d'utiliser au maximum les éléments présents dans le gaz natu- rel liquéfié lors de la oonversion de l'état liquéfié à l'état gazeux à des températures élevées, l'expérience a montré que d'autres facteurs encore influencent notablement l'économie de ce nouveau programme de fabrication.
Sans nul doute, la fourniture de gaz naturel d'endroits où il se trouve en excès à des endroits pauvres est intéressante pour les deux parties, du fait que, d'une part, on tire un béné- fioe d'une matière première qui est autrement perdue, tandis qu'un combustible oonvenant pour la production d'énergie et de chaleur pour l'industrie et l'habitation est rendu disponible en des endroits ne disposant pas de ces matières premières. A titre d'exemple, à l'échelle du bien-être national, le Vénézuéla dispose de gaz naturel en excès, à un point tel que des quantités notables de oe combustible important se perdent.
Tout au oontrai- re, la Grande-Bretagne, qui est une nation industrielle reconnue, voit sa capacité industrielle diminuer lentement à cause du manque de combustible et du prix élevé du combustible constitué par le charbon naturel présent en quantité limitée en
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Grande-Bretagne. II en est de même d'autres pays d'Europe et môme de certains états d'Amérique qui ne peuvent pas être atteints économiquement par des pipe-lines ou autres.
Dans le cas de la nouvelle et importante réalisation industrielle de la présente invention, le gaz naturel est réduit à l'état liquide à la source 13, ce qui permet une manutention et un transport plus aiaé sous un volume 600 fois plus petit que son volume à l'état gazeux. Pour pouvoir transporter le gaz naturel liquéfié de façon économique à grande distance, il est indispensable de faire usage de ré- servoirs de grande capacité, sinon le coût de fabrication et d'utilisation des réservoirs rendrait le système anti-éoonomique.
Des réservoirs de grande capacité ne peuvent pas être cons- truits suffisamment résistants pour subir sans dommage les pressions qui régneraient à l'intérieur si le gaz naturel li- quéfié s'y trouvait à la température atmosphérique. Il est donc nécessaire de calculer les conditions du transport de gaz naturel liquéfié en grande quantité à environ la pression atmosphérique. La température critique pour du gaz naturel li- quéfié, consistant la plupart du temps en méthane, est d'envi- ron -161"0. à la pression atmosphérique. Quand le gaz naturel liquéfié est adouci à l'aide d'une quantité d'hydrocarbures à point d'ébullition plus élevé allant jusqu'à 10%, la tempéra- ture de vaporisation à la pression atmosphérique peut être ré- duite à environ -151 C.
En conséquence, le transport de gaz naturel liquéfié en grande quantité requiert le maintien de températures comprises entre -151 C. et -161 C, A cet effet, le gaz naturel liquéfié est contenu, durant le stockage et le transport, dans un réser- voir 2 de grande capacité ayant un grand pouvoir isolant (indice 20) réduisant au minimum le transfert de chaleur entre l'atmos- phère et le gaz naturel liquéfié. Même dans ce oas, une certaine
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quantité de chaleur est transférée, au travers de l'isolant et des parois du réservoir, dans le gaz naturel liquéfié dont une certaine partie s'évapore. La quantité évaporée peut être utilisée comme combustible pour faire avancer le bateau 1 ou un autre moyen de transport, oe qui permet une utilisation économique de vapeurs autrement perdues.
Ou bien, les vapeurs produites peuvent être liquéfiées à nouveau par liquéfaction sur le bateau, puis renvoyées dans les réservoirs.
Un des facteurs qui se sont avérés jouer un rôle impor- tant dans la réduction du prix de revient réside dans la pos- sibilité de maintenir le bateau transporteur en marohe entre la source de gaz et l'endroit d'utilisation avec un minimum de temps d'accostage du bateau dans les docks pour la charge et la décharge. Un autre facteur réside dans la possibilité de oharger et de décharger le gaz naturel sans une perte ex- cessive de gaz naturel par évaporation.
L'expérience a montré que, lorsqu'un bateau 1 est mis en service, il faut plusieurs jours pour refroidir oonvena- blement les réservoirs 2 de façon à pouvoir y introduire le gaz naturel liquéfié à une température de -161 C. Si le gaz naturel liquéfié à -161 C est introduit trop rapidement dans les réservoirs sans refroidir convenablement oeux-oi, l'exposition brusque du réservoir à des températures de froid plus élevées orée de telles conditions de tension et de oom- pression dans les éléments du réservoir, que celui-ci subit des dommages rapides et immédiats pouvant entraîner de grosses dépenses. Des oonditions extrêmement dangereuses s'établissent d'autre part, du fait que les parties en acier du bateau et des réservoirs sont incapables de résister aux températures du gaz naturel liquéfié.
A coté de ces limitations constructives, la quantité de vapeur brusquement libérée 'Lors de la mise en contact du
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gaz naturel liquéfié aveo les éléments du réservoir à haute température a pour effet qu'il est impossible de maîtriser les quantités de vapeur s'échappant sous pression du réservoir.
De ce fait, il s'établit un état dangereux et non contrôlé provoquant non seulement la perte de quantités de gaz naturel considérables, mais aussi la production de pressions qui ne peuvent pas être tolérées par les parties oonstruotives. Le gaz naturel froid qui explose ou s'échappe autrement d'une fa- con non contrôlée du réservoir présente un danger pour l'équi- page et les appareils, cet état ne pouvant pas être admis par les règlements de la garde côtière.
Dans la pratique présente, les réservoirs du bateau sont traités au retour dans le port en aspergeant les parois du réservoir de gaz naturel liquéfié sous un faible débit, de manière à refroidir le réservoir à une vitesse lente et con- tr8lée, à laquelle les vapeurs libérées peuvent être utilisées pour la reliquéfaotion dans les limites de la capacité de l'installation de reliquéfaotion, le reste étant utilisé de manière normale. Ceci demande aussi un temps important pour le refroidissement, et des quantités considérables de gaz ou vapeur ne sont pas récupérées.
En outre, le cycle périodique de réchauffement du ré- servoir lors de son retour de l'endroit d'utilisation vers la source et de refroidissement rapide lors de l'introduction du gaz naturel liquéfié, fatigue les éléments constituant le ré- servoir de stockage 14 et produit d'autres effets de détério- ration encore, la fréquenoe de ces variations de température affectant notablement la durée de vie du réservoir. Ordinai- rement, une fatigue ou une détérioration de ce genre serait sans inoonvénient, mais, lorsque les réservoirs font partie d'un bateau-citerne de grand volume, la durée et le coût d'un remplacement ou d'une réparation constitue un facteur :important.
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Une caractéristique importante de l'invention réside, par conséquent, dans le maintien de conditions grâce auxquel- les le temps de refroidissement du réservoir est notablement réduit et la quantité de gaz naturel liquéfié qui s'évapore lors du remplissage du réservoir est réduite au minimum, à un point tel que la quantité de gaz évaporé soit minime et que cette évaporation se produise à une vitesse qui peut être facilement réglée en vue d'une réutilisation, d'une reliqué- faotion on d'un autre traitement des vapeurs formées.
Cette particularité est obtenue en conservant le pouvoir de réfri- gération disponible dans le gaz naturel liquéfié de façon à réduire au minimum le réchauffement des réservoirs lors du voyage de retour de l'endroit d'utilisation jusqu'à la source, afin de maintenir ainsi les réservoirs dans un état de refroi- dissement contrôlé. De cette manière non seulement on élimine le cycle de températures précité, mais on maintient les réser- voirs à une température éliminant ou réduisant au minimum la nécessité d'un refroidissement avec, comme conséquence, une économie en heures d'accostage et une réduction correspondante du gaz naturel liquéfié qui s'évapore et de la vitesse de cette évaporation.
Dans la pratique de la caractéristique précitée, le froid émanant du gaz naturel liquéfié et utilisé pour amener le gaz liquéfié de sa phase liquide dans une phase gazeuse d'utilisation, sert à refroidir les réservoirs et à maintenir ceux-ci dans l'état de refroidissement désiré durant le voyage de retour, afin que les réservoirs arrivent à la source dans un état de refroidissement qui n'exige plus qu'un refroidisse- ment supplémentaire léger, ce qui réduit le temps de condi- tionnement des réservoirs à remplir ainsi que la quantité et la vitesse d'évaporation du gaz naturel liquéfié libéré pendant la période de refroidissement.
L'utilisation de ce pouvoir de
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réfrigération, qui serait autrement perdu, pour reconvertir , le gaz naturel liquéfié de manière à maintenir les réservoirs dans un état de refroidissement notable, réduit aussi les va- riations de température auxquelles les réservoirs sont soumis entre les voyages d'aller et de retour.
Dans la pratique, le gaz naturel, qui se oompose prin- cipalement de méthane, est converti à l'état liquide à l'en- droit ou près de sa source, par exemple à l'aide d'un cycle de dilatation ou en cascade, comme représenté en 22 sur le schéma d'écoulement. Le gaz naturel liquéfié est accumulé dans des dispositifs de stockage,'par exemple des réservoirs 24, jusqu'au moment où un bateau de transport 1, pourvu de trois réservoirs isolés 2, arrive pour charger le gaz liquéfié et le transporter à des endroits distants pauvres en gaz naturel.
Le gaz naturel liquéfié à la pression atmosphérique et à environ -161 0. est introduit lentement dans les réservoirs 2 du bateau en aspergeant les parois des réservoirs isolés, de sorte que les premières quantités de gaz liquéfié s'évapo- rent en venant en contact avec les températures élevées ré- gnant dans les réservoirs et provoquent le refroidissement de ceux-ci. De cette manière, les réservoirs sont lentement re- froidis jusqu'à un niveau où l'introduction du gaz naturel li- quéfié peut se faire à grande vitesse en vue du remplissage des réservoirs. Après refroidissement, les réservoirs, ayant chacun une capacité pouvant être de l'ordre de 1200 m3 ou plus, peuvent être remplis en quelques heures, après quoi le bateau est prêt à prendre la mer et à délivrer le gaz naturel liqué- fié dans des stations distantes.
Durant le transport, représenté par la ligne en traits interrompus 26, les vapeurs libérées par absorption de chaleur de l'atmosphère peuvent être utilisées comme combustible pour l'alimentation du moteur du bateau, ou bien les vapeurs
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libérées peuvent être reliquéfiées et retournées dans les réservoirs. Quand ils sont pleins ou partiellement remplis, les réservoirs sont maintenus à une température comprise en- viron entre -151 C. et -161 C., ce qui correspond à la tempé- rature du gaz naturel liquéfié se trouvant à l'intérieur.
A l'arrivée au point d'utilisation, le gaz naturel li- quéfié est amené, par exemple à l'aide de pompes, des réser- voirs 2 du bateau dans des réservoirs de stockage se trouvant sur la cote. La reconversion du gaz naturel liquéfié à l'état gazeux dans un dispositif 15 libère de l'énergie et du froid qui peuvent être utilisés, comme décrit ci-avant, pour la syn- thèse et la liquéfaction d'autres gaz comme l'ammoniac, l'air, l'azote ou semblables, facilement disponibles à l'endroit d'utilisation. Les autres gaz liquéfiés auront un point d'ébul- lition à la pression atmosphérique qui est voisin de celui du gaz naturel liquéfié. Ces autres gaz liquéfiés peuvent être produits, comme décrit, lorsque le gaz naturel liquéfié en stook est utilisé.
Lorsque les réservoirs du bateau ont été déchargés du- rant les quelques heures nécessaires pour amener le gaz du bateau dans les dispositifs de stockage à terre, l'autre gaz liquéfié disponible à terre peut être immédiatement introduit dans les réservoirs du bateau avant tout échauffement notable des réservoirs. De cette manière, les réservoirs peuvent être remplis d'un gaz liquéfié froid en ébullition destiné, de préférence à l'endroit de la source de gaz naturel, de façon que le oargo revienns aveo une utilisation maximum de son espace.
Ce qui est plus important pour les caractéristiques de l'invention, c'est qu'un gaz liquéfié froid garnit les réser- voirs, ce qui permet une décharge en substance complète du gaz naturel liquéfié des réservoirs, sans une variation notable
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de la température des réservoirs darant tout la oyole .
Quand les réservoirs remplis de l'autre gaz liquéfié froid en ébullition retournent à la source de gaz naturel, comme indiqué par la ligne 28, l'autre gaz liquéfié peut être pompé hors du bateau et stocké en quelques heures. Dé- barrassés de leurs charges, les réservoirs isolés du bateau peuvent être rechargés de gaz naturel liquéfié en stockage, de façon à oommenoer un nouveau cycle d'opérations.
Comme les réservoirs sont maintenus froids durant tout le voyage de retour désigné par 28, la variation de température est minimum ou nulle dans l'isolant et la car- casse du réservoir, et il s'ensuit que le cycle périodique peut être effectué sans changements de température notables, ce qui constitue une amélioration sérieuse de la stabilité et de la durée de vie du bateau et de ses réservoirs. Le maintien des réservoirs à l'état froid durant le voyage de retour supprime la nécessité d'un temps considérable pour le refroidissement des réservoirs avant leur remplissage, la quantité de gaz naturel perdu étant, d'autre part, forte- ment réduite.
Les opérations décrites oi-avant ont pour effet, quand elles sont combinées, de soumettre le bateau à des contraintes moindres durant le processus, et il en est de marne des réser- voirs du bateau. Les opérations précitées ont pour effet, en combinaison, de réduire notablement le temps requis pour le chargement du bateau à l'endroit de la source de gaz naturel.
Les opérations précitées réduisent, en combinaison, notable- ment les quantités de vapeur à re-traiter et la quantité de vapeur perdue durant la charge. En outre, ceci permet de dis- poser, à bas prix, d'un autre gaz qui devrait autrement être soumis à une opération de synthèse à l'endroit de la source de gaz naturel. Enfin, une meilleure utilisation est faite
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des forces libérées par le gaz naturel liquéfié dorant le oyole de re-gazéification.
Quoique les caractéristiques de l'invention aient été décrites aveo référence à la synthèse de l'ammoniac, du gaz naturel liquéfié étant utilisé comme matière première, comme souroe d'énergie, comme source de froid et comme source de combustible, il va de soi qu'en ce qui concerne les oarac- téristiques relatives à la protection des réservoirs et de la structure du bateau ainsi qu'à l'économie en gaz et en temps, d'autres gaz liquéfiés à bas point d'ébullition peuvent être utilisés dans le processus.
Il va de soi que de nombreuses modifications pouvant être apportées aux détails de construction, d'agencement et de fonctionnement,, sans sortir du cadre de la présente inven- tion.
REVENDICATIONS.
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"Transport and use of liquefied natural gas"
The present invention relates to the use of liquefied natural gas for the synthesis of compounds such as ammonia and the like, and further to the use of the cooling power available in such liquefied natural gas in order to maintain refrigeration conditions during storage and transport, so that it becomes commercially possible to transport natural gas efficiently and economically over great distances between an abundant source and a place lacking suitable natural gas ,,
The present invention also provides a process applicable to the synthesis of ammonia,
urea and similar materials either to reduce the cost price or
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to increase the capacity of the production facilities used, so that it is possible not only to use liquefied natural gas as a raw material for synthesis but also to exploit this liquefied natural gas as a source of energy and refrigerant.
Liquefied methane, which is the most important constituent of natural gases, is frequently used as one of the raw materials in the production, by synthesis, of anhydrous ammonia and the like. Air is also used as one of the raw materials of the process, this air being able, at a certain stage of its preparation, to be liquefied.
The applicant proposes, in order to reduce the pressures required at the various stages of the production of a material such as anhydrous ammonia, so as, in particular, to reduce the power required and the cost of liquefying the gas. air, that liquefied methane can be used as a refrigerant in the process of liquefying air by heat exchange or by other means whereby cold methane liquefied at -161 C. o has cold gas evaporating from the air. liquefied methane at about the same temperature is used to provide the refrigeration necessary to liquefy the air.
The Applicant also proposes to use cold liquefied methane or cold gas evaporating from liquefied methane as a refrigerant in a refrigeration device or in an ammonia condenser, or both, in which the gases flow by coming. of the synthesis chamber or the ammonia converter. Where the refrigeration effect of the quantity of liquefied methane required as raw material in a given installation is insufficient to produce all the required refrigeration effect, additional cold liquefied methane can be evaporated in the installation.
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and be used as an oombastible in this installation or elsewhere.
Until the moment when the vaporized liquid has returned to its gaseous phase and is heated to the point that it can be used as a fuel, it is only available as a refrigerant, and its use as a refrigerant is a practical and efficient way to obtain economically gaseous methane from the available cold liquid.
For example, the machinery in the plant, which includes compressors, conveyors and other devices, as well as lighting, can be powered by methane gas which is used as fuel. If desired, the liquefied methane which is to be used in gaseous form, outside the installation, in the form of fuel, can be heated in the installation, this heating constituting one of the operations.
From this point of view, it is important to note that liquid methane, as part of the liquid-gas transformation in the form of refrigerant, may very well produce energy before it reaches combustion, for example by exchange of calories. Regeneration of liquefied natural gas in an evaporator builds gas pressures which can be used to drive a turbine or engine, in a manner somewhat analogous to the use of steam.
Since, when methane is used as a raw material in such a synthesis process it often has to be injected into the plant under high pressure, the liquefied methane has to be evaporated in a gas-heated heat exchanger. or a liquid at lower temperatures coming from another part of the synthetic oyol or marl from outside the installation.
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An important principle of the invention resides, therefore, in the use of liquefied natural gas as a raw material, as a refrigerant for the liquefaction of air, as a refrigerant for the synthesis of the materials produced, in particular. view of the production of energy before combustion, with a view to the production of energy following combustion, and with a view to the use of natural gas, not necessary as a raw material, as fuel for heating buildings or energy production.
Although it is known to liquefy small quantities of methane or natural gas in the laboratory and that the transport of liquefied gases of this kind sono low pressure has been suggested, the applicant proposes to transport tons of liquefied natural gas, such as described below, to a synthesis plant, at minus 161 ° C. and approximately at atmospheric pressure. Liquefied gas serves as raw material, source of cold or refrigerant, source of energy and fuel.
In this way, the transport of liquefied natural gas at atmospheric pressure and at -161 C is advantageous and allows savings to be made which can be summarized as follows:
1. An ammonia plant can be supplied with natural gas without having to be at the location of a pipeline or without having to require a special pipeline, since it receives the necessary quantity of natural gas by transport by water in liquid form,
2.
Liquefied natural gas at -161 C. can be compressed to the pressure levels required in the factory, by pumping the gas in liquid form into a reoipient acting as an evaporator, in which the liquefied natural gas is evaporated to achieve the desired pressure, the heat of evaporation being used for refrigeration in the process of synthesizing ammonia or liquefying other gases.
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@ 3. Liquefied natural gas can be used as a refrigerant for the liquefaction of air or other gases to obtain nitrogen and oxygen which can be used in the synthesis. ammonia.
4. A water-cooled condenser is used to cool the gas flowing at the outlet of an ammonia converter in order to shift the equilibrium in the direction of ammonia synthesis and ammonia synthesis. thus obtain ammonia by condensation. The refrigeration effect of liquefied natural gas can also be used to cool the outgoing ammonia vapors and unconverted gases from the water-cooled condenser, which allows the efficient separation of anhydrous ammonia at high pressure. lower pressure and operation of the ammonia converter at reduced pressure. The unconverted gases are then put back together in the oyol by the converter.
5. Liquefied natural gas, intended to be used as a final fuel, produces an additional refrigeration effect which can be applied to the synthesis of ammonia or urea or to other cases of refrigeration such as liquefaction of air, oxygen or other gases.
6. The refrigeration effect of liquefied natural gas feeding an ammonia or urea plant as a processed raw material and as a fuel can also be applied advantageously to the liquefaction of ammonia for pressure storage. atmospheric at a temperature of approx. -161 C.
7. The refrigeration effect of liquefied natural gas can be further used to reduce the energy required to compress nitrogen and hydrogen under the high pressures needed in the ammonia synthesis converter, by refrigerating and lowering the temperature. syngas
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penetrating into oompression installation.
A further object of the invention is to use more effectively the refrigeration characteristics of liquefied natural gas made available by the conversion of liquefied natural gas from the liquefied state to the gaseous state at high temperature, to reduce the cost of the liquefied natural gas. transport of natural gas between an abundant source and a place poor in natural gas, to keep the equipment used for the transport of liquefied natural gas over great distances, and to make it available; at the source, a cold boiling component which is liquefied as a result of the conversion of cold boiling liquefied natural gas from liquefied to gaseous state at elevated temperatures at the point of 'use.
These bats, as well as other objects and advantages of the invention will emerge clearly from the description of an embodiment of the invention shown, by way of example, in the accompanying drawings, in which:
Figure 1 is a flow installation showing the application of liquefied natural gas to the synthesis of ammonia, and
Figure 2 is a flow diagram showing the various stages of economical transport of liquefied natural gas from an abundant source to a place of use and storage of the equipment and materials used.
A barge 1 carries an insulated liquefied natural gas tank 2 serving to contain many tonnes of liquid gas at approximately -161 C. While liquefied natural gas is being used, at the destination, the peniohe is brought in a dook next to the synthesis facility. The liquefied gas is discharged under low pressure by a suitable means, for example a motor-pump assembly 2a, not detailed since this does not form part of the present invention. The gas
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liquefied natural gas is discharged from the insulated tanks via a pipe 3 to a liquefied natural gas pump 4 which brings the cold gas to the boil, through the heat exchanger coil 6 for the liquid gas, in a heat exchanger or gas evaporator 7 .
The gas evaporated at high pressure is discharged from the heat exchanger via a pipe 8, so as to be used as raw material in the installation, as fuel, or as a source of energy. Since the gas is always at a relatively low temperature, it can be used as a refrigerant in the synthesis plant where necessary.
Reference 9 designates a pipe through which process air or steam or gas, at low pressure and relatively high temperature, enters the heat exchanger or evaporator 7 so as to lower the temperature. - erases while exchanging the heat necessary to evaporate the liquefied natural gas in coil 6. Air, steam or other cold and low pressure process gases are supplied from the heat exchanger 7 , through a pipe 10, in the compressor 11, so as to exit therefrom in the form of air, gas or vapor at high pressure and at reduced temperature.
The liquefied gas supplied, at minus 161 C, to the installation by the barge, therefore produces refrigeration, motive power or propulsion, combustible energy as well as a raw material to be treated.
Liquefaction of air, ammonia or other vapors can be achieved by the oasoade process using refrigeration available in liquefied natural gas to further reduce the temperature of the air, ammonia or another compressed gas, to obtain a liquid state. The liquefaction of these other gases can, on the contrary, be obtained by
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a process of expanding the cold compressed gases to about atmospheric pressure, this expansion causing further cooling.
The description given so far relates to the use of liquefied natural gas as a source of energy for starting up the equipment, as a source of cold for the condensation and liquefaction of other treated or synthetic gases that it is passed into a heat exchange relationship, in the vaporized state as a fuel source for the production of heat and energy, and in the vaporized state as a raw material in the synthesis of ammonia, urea and the like.
While it is important from an industrial point of view to make maximum use of the elements present in liquefied natural gas when converting from the liquefied to the gaseous state at elevated temperatures, experience has showed that other factors still significantly influence the economics of this new manufacturing program.
Undoubtedly, the supply of natural gas from places where it is in excess to poor places is interesting for both parties, since, on the one hand, a benefit is obtained from a raw material which is otherwise wasted, while a fuel suitable for the production of energy and heat for industry and housing is made available in places lacking these raw materials. For example, on a national welfare scale, Venezuela has excess natural gas, to such an extent that significant amounts of important fuel are lost.
On the other hand, Great Britain, which is a recognized industrial nation, is seeing its industrial capacity slowly decrease because of the lack of fuel and the high price of fuel consisting of natural coal present in limited quantities in the world.
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Britain. The same is true of other European countries and even of certain American states which cannot be reached economically by pipelines or the like.
In the case of the new and important industrial achievement of the present invention, the natural gas is reduced to the liquid state at the source 13, which allows easier handling and transport in a volume 600 times smaller than its volume. in the gaseous state. In order to be able to transport liquefied natural gas economically over long distances, it is essential to make use of large capacity reservoirs, otherwise the cost of manufacturing and using the reservoirs would render the system uneconomic.
Large capacity reservoirs cannot be built strong enough to withstand without damage the pressures that would exist inside if the liquefied natural gas were there at atmospheric temperature. It is therefore necessary to calculate the conditions for the transport of liquefied natural gas in large quantities at approximately atmospheric pressure. The critical temperature for liquefied natural gas, consisting mostly of methane, is about -161 "0. At atmospheric pressure. When liquefied natural gas is softened with a quantity of hydrocarbons with a higher boiling point of up to 10%, the vaporization temperature at atmospheric pressure can be reduced to about -151 C.
Consequently, the transport of liquefied natural gas in large quantities requires the maintenance of temperatures between -151 C. and -161 C. For this purpose, the liquefied natural gas is contained, during storage and transport, in a reservoir. see 2 large capacity with great insulating power (index 20) reducing to a minimum the heat transfer between the atmosphere and the liquefied natural gas. Even in this oas, a certain
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quantity of heat is transferred, through the insulation and the walls of the tank, into the liquefied natural gas, some of which evaporates. The evaporated amount can be used as fuel to advance the boat 1 or other means of transport, which allows economical use of otherwise lost vapors.
Or, the vapors produced can be liquefied again by liquefying on the boat and then returned to the tanks.
One of the factors which have been found to play an important role in reducing the cost price is the possibility of keeping the carrier vessel marohe between the gas source and the place of use with a minimum of time. docking of the boat in the docks for loading and unloading. Another factor is the possibility of loading and unloading natural gas without excessive loss of natural gas by evaporation.
Experience has shown that, when a vessel 1 is put into service, it takes several days to properly cool the tanks 2 so that the liquefied natural gas can be introduced therein at a temperature of -161 C. If the gas natural liquefied at -161 C is introduced too quickly into the reservoirs without cooling them adequately, the sudden exposure of the reservoir to higher cold temperatures or such conditions of tension and oom- pressure in the elements of the reservoir, that it suffers rapid and immediate damage that can lead to great expense. On the other hand, extremely dangerous conditions arise, as the steel parts of the vessel and tanks are unable to withstand the temperatures of liquefied natural gas.
Besides these constructive limitations, the quantity of steam suddenly released 'When the
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Liquefied natural gas with the elements of the high temperature reservoir makes it impossible to control the quantities of vapor escaping under pressure from the reservoir.
As a result, a dangerous and uncontrolled state is established causing not only the loss of considerable quantities of natural gas, but also the production of pressures which cannot be tolerated by the constructive parties. Cold natural gas that explodes or otherwise escapes in an uncontrolled manner from the tank presents a danger to crew and apparatus, a condition that cannot be allowed by Coast Guard regulations.
In the present practice, the tanks of the vessel are treated on return to port by spraying the walls of the tank with liquefied natural gas at a low rate, so as to cool the tank at a slow and controlled rate, at which the vapors released can be used for reliquefaction within the capacity of the reliquefaction plant, the remainder being used in the normal way. This also takes a long time for cooling, and considerable amounts of gas or vapor are not recovered.
In addition, the periodic cycle of heating the tank when it returns from the place of use to the source and of rapid cooling during the introduction of liquefied natural gas, tires the elements constituting the storage tank. 14 and produces still further deterioration effects, the frequency of these temperature variations significantly affecting the life of the tank. Ordinarily, such fatigue or deterioration would be harmless, but where the tanks are part of a large volume tanker the time and cost of replacement or repair is a factor. :important.
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An important feature of the invention therefore resides in the maintenance of conditions whereby the cooling time of the reservoir is significantly reduced and the amount of liquefied natural gas which evaporates when filling the reservoir is minimized. , to such an extent that the amount of gas evaporated is minimal and that this evaporation occurs at a rate which can be easily regulated for reuse, release or further treatment of the vapors formed.
This peculiarity is obtained by conserving the cooling capacity available in the liquefied natural gas so as to minimize the heating of the reservoirs during the return journey from the place of use to the source, in order to thus maintain the tanks in a controlled cooling state. In this way not only is the aforementioned temperature cycle eliminated, but the tanks are kept at a temperature eliminating or minimizing the need for cooling with, as a consequence, a saving in docking hours and a corresponding reduction. of the liquefied natural gas that evaporates and the rate of this evaporation.
In the practice of the aforementioned characteristic, the cold emanating from the liquefied natural gas and used to bring the liquefied gas from its liquid phase into a gaseous phase of use, serves to cool the reservoirs and to maintain them in the state of. desired cooling during the return trip, so that the reservoirs arrive at the source in a cooling state which requires only slight additional cooling, reducing the conditioning time of the reservoirs to be filled as well as the amount and rate of evaporation of the liquefied natural gas released during the cooling period.
Using this power to
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refrigeration, which would otherwise be wasted, to reconvert liquefied natural gas so as to keep the tanks in a noticeable state of cooling, also reduces the temperature changes to which the tanks are subjected between the outward and return trips.
In practice, natural gas, which consists mainly of methane, is converted to a liquid state at or near its source, for example by means of an expansion cycle or by cascade, as shown at 22 on the flow diagram. The liquefied natural gas is accumulated in storage devices, for example tanks 24, until such time as a transport vessel 1, provided with three insulated tanks 2, arrives to load the liquefied gas and transport it to remote locations. poor in natural gas.
Liquefied natural gas at atmospheric pressure and at about -161 0. is slowly introduced into the tanks 2 of the boat by spraying the walls of the insulated tanks, so that the first quantities of liquefied gas evaporate on coming into contact. with the high temperatures prevailing in the tanks and cause them to cool. In this way, the reservoirs are slowly cooled to a level where the introduction of the liquefied natural gas can take place at high speed with a view to filling the reservoirs. After cooling, the tanks, each having a capacity of the order of 1200 m3 or more, can be filled in a few hours, after which the boat is ready to go to sea and deliver the liquefied natural gas in tanks. remote stations.
During transport, represented by the dashed line 26, the vapors released by absorption of heat from the atmosphere can be used as fuel to supply the engine of the boat, or the vapors
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released can be reliquefied and returned to the tanks. When full or partially filled, the tanks are maintained at a temperature of approximately -151 C. to -161 C., which corresponds to the temperature of the liquefied natural gas inside.
On arrival at the point of use, the liquefied natural gas is brought, for example by means of pumps, from the tanks 2 of the boat into storage tanks located on the shore. The conversion of liquefied natural gas to a gaseous state in a device 15 releases energy and cold which can be used, as described above, for the synthesis and liquefaction of other gases such as ammonia. , air, nitrogen or the like, readily available at the point of use. Other liquefied gases will have a boiling point at atmospheric pressure which is close to that of liquefied natural gas. These other liquefied gases can be produced, as described, when liquefied natural gas in stook is used.
When the vessel's tanks have been unloaded for the few hours needed to bring the vessel's gas to the onshore storage devices, the other liquefied gas available on land can be immediately introduced into the vessel's tanks before any noticeable heating. tanks. In this way, the reservoirs can be filled with a cold boiling liquefied gas intended, preferably at the location of the source of natural gas, so that the vessel returns to maximum use of its space.
What is more important for the characteristics of the invention is that a cold liquefied gas lines the reservoirs, which allows a substantially complete discharge of the liquefied natural gas from the reservoirs, without a notable variation.
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of the temperature of the tanks throughout the oyole.
When the tanks filled with the other boiling cold liquefied gas return to the natural gas source, as indicated by line 28, the other liquefied gas can be pumped out of the boat and stored within hours. Freed of their charges, the boat's insulated tanks can be recharged with liquefied natural gas in storage, so as to start a new cycle of operations.
As the tanks are kept cold throughout the return trip designated by 28, the temperature variation is minimum or zero in the insulation and the shell of the tank, and it follows that the periodic cycle can be performed without changes. significant temperatures, which constitutes a serious improvement in the stability and the lifespan of the boat and its tanks. Maintaining the reservoirs in a cold state during the return trip eliminates the need for considerable time for cooling the reservoirs before filling, the quantity of lost natural gas being, on the other hand, greatly reduced.
The operations described above have the effect, when combined, of subjecting the boat to less stress during the process, and the same is true of the tanks of the boat. The aforementioned operations have the effect, in combination, of significantly reducing the time required for loading the vessel at the location of the natural gas source.
The above operations in combination significantly reduce the amounts of steam to be re-treated and the amount of steam lost during charging. Furthermore, this makes it possible to have, at low cost, other gas which would otherwise have to be subjected to a synthesis operation at the location of the natural gas source. Finally, better use is made
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forces released by the liquefied natural gas golden the re-gasification oyol.
Although the characteristics of the invention have been described with reference to the synthesis of ammonia, liquefied natural gas being used as a raw material, as an energy source, as a cold source and as a fuel source, it goes without saying that with regard to the characteristics relating to the protection of the tanks and the structure of the vessel as well as to the gas and time saving, other liquefied gases with a low boiling point may be used in the process.
It goes without saying that many modifications can be made to the details of construction, arrangement and operation without departing from the scope of the present invention.
CLAIMS.
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