BE583015A

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Publication number: BE583015A
Authority: BE
Priority date: 1959-09-22
Also published as: FR1240737A; NL243295A

Description


  "Réfrigération à basse température'*

  
La présente invention est relative à des perfectionnements apportés à la réfrigération et concerne plus particulièrement, bien que non de façon limitative, un procédé de réfrigération perfectionné visant à liquéfier le méthane par

  
l'emploi d'azote initialement liquide.

  
La présente invention offre une utilité particulière

  
lorsqu'elle est appliquée à la liquéfaction du méthane par

  
l'azote. Pour cette raison, l'invention sera décrite en se

  
reportant de façon détaillée à ces fluides particuliers.

  
Il convient de noter toutefois que le procédé suivant l'invention n'est pas limité à l'emploi de ces fluides, mais peut

  
être mise en pratique pour divers autres fluides ayant entre

  
1  <EMI ID=1.1> 

  
posage et (ou) du transport. Une réfrigération d'environ
398 B.T.U. (226,6 kcal) est nécessaire pour liquéfier chaque kilogramme de méthane à partir de cet état. L'azote liquide peut être employé avantageusement pour obtenir au moins une partie de cette réfrigération. L'azote liquide peut être obtenu à une pression voisine de la pression atmosphérique et

  
 <EMI ID=2.1> 

  
la théorie en cours actuellement, la liquéfaction pourrait être réalisée par un simple échange thermique entre l'azote et le méthane, à la pression atmosphérique. Ce procédé permet de liquéfier le méthane; toutefois, on doit employer à cet effet ou bien environ 2,1 kilogrammes d'azote pour liquéfier chaque kilogramme de méthane, ou bien, un apport important de réfrigération externe, étant donné que le méthane exige une réfrigération de 398 B.T.U./lb. (226,6 kcal/kg), tandis que l'azote fournit seulement 186 B.T.U./lb. (93,03 kcal/kg).

  
La présente invention vise à établir un procédé pour liquéfier le méthane à l'aide de l'azote, procédé dans lequel un kilogramme de méthane peut être liquéfié par chaque kilogramme d'azote, en ne faisant appel qu'à un apport réduit

  
de frigories externes et où il y a production d'énergie mécanique, laquelle peut être utilisée pour assurer la réfrigération externe. L'invention préconise la mise sous pression de l'azote liquide et prévoit en outre deux stades d'échange de chaleur entre l'azote et un courant de méthane. Elle pré- <EMI ID=3.1> 

  
entre la demande et l'apport de froid au cours du procédé.

  
Un but Important de la présente invention *et d'accroître le degré de réfrigération qui peut tire obtenu au moyen d'un réfrigérant initialement liquide.

  
Un autre objet de la présente invention est d'établir un procédé pour liquéfier un courant gazeux par réfrigération, procédé dans lequel les débits massiques de courant à réfrigérer et du réfrigérant sont sensiblement égaux.

  
 <EMI ID=4.1> 

  
liquéfier un courant de gaz par réfrigération, où le réfrigérant produit de l'énergie mécanique au cours du procédé.

  
Un antre objet de la présente invention est d'établir un procédé économique pour liquéfier un courant de gaz, ce procédé

  
 <EMI ID=5.1> 

  
équipement courant.

  
La présente invention a en outre pour objet d'établir un

  
 <EMI ID=6.1> 

  
gérant initialement liquide, procédé dans lequel le réfrigérant est amené à échanger de la chaleur avec le courant de gaz en deux passages de réfrigérant à travers des zones de température sensiblement égales.

  
Un autre objet de la présente invention est d'établir un procédé pour liquéfier un courant de gaz Moyennant échange de chaleur avec un réfrigérant et avec un réfrigérant complémentaire, procédé dans lequel les débits massiques de courant de gaz et de réfrigérant sont égaux entre eux, cependant que le réfrigérant fournit la majeure partie des frigories nécessaires. 

  
La présente invention se propose en outre d'établir un procédé pour liquéfier un courant de gaz moyennant échange de chaleur arec un réfrigérant initialement liquide, procédé dans lequel le réfrigérant est refroidi en un point intermédiaire au cours du procédé, en vue d'un second échange de .chaleur avec le courant de gaz.

  
D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront 

  
de la description détaillée ci-après, qui doit être considérée conjointement avec le dessin annexé, qui met en évidence la présente invention. 

  
L'unique figure de ce dessin représente un schéma de mar- ; che qui met en évidence la mise en application de la présente  invention. 

  
 <EMI ID=7.1> 

  
comme étant un procédé pour réfrigérer un premier liquide, et  qui comprend : 
(a) l'acheminement d'un courant dudit premier fluide, de  manière qu'il échange des calories, à contre-courant,  avec 
(b) un courant sous pression, initialement liquide, d'un * <EMI ID=8.1> 

  
 <EMI ID=9.1> 

  
dudit premier fluide en ce même point, 
(c) le maintien à une valeur sensiblement constante de la pression dudit second courant jusqu'à ce que sa température ait atteint une valeur telle que, lorsque ce dernier courant a été détendu jusqu'à une pression inférieure prédéterminée, il se présente essentiellement en phase gazeuse.
(d) la disposition consistant à amener ledit second courant à se détendre, jusqu'à ladite pression prédé-  terminée, dans une zone de production d'énergie,  dans laquelle sa température se réduit sensiblement, et ensuite
(e) l'acheminement dudit second courant, ainsi refroidi, de manière qu'il échange des calories à contre-courant, avec ledit premier courant.

  
Dans le dessin annexé, les chiffres de référence 2, 4 et 6 désignent trois échangeurs de chaleur disposés côte à côte. Le plus petit de ceux-ci, soit, l'échangeur 2, est traversé

  
 <EMI ID=10.1> 

  
rant et du courant à liquéfier, respectivement, comme il sera décrit de façon plus détaillée dans la suite. L'échangeur de chaleur médian 4 est traversé par trois trajets de flux 12, 14,

  
 <EMI ID=11.1> 

  
soi que les échangeurs de chaleur 2, 4 et 6, sont représentés de façon schématique et que les divers trajets de flux peuvent être disposés d'une manière appropriée en vue d'assurer la réfrigération voulue, comme il sera décrit plus loin.

  
L'appareillage nécessaire pour la mise en pratique de la présente invention comprend également une source de froid ex-

  
 <EMI ID=12.1> 

  
geur de chaleur 6, pour assurer une réfrigération complémentaire du courant de méthane pendant les stades initiaux de

  
la réfrigération. Un compresseur 28 est en communication avec le trajet de flux 8 du plus petit échangeur de chaleur 2 et peut être d'un type approprié quelconque, qui soit à même de soumettre un courant, initialement liquide, à une pression importante.

  
Le courant de gaz à liquéfier (qui est ici du méthane) est conduit successivement à travers les trajets de flux de réfrigération 22, 16 et 10, à partir d'une conduite appropriée

  
30. Le réfrigérant (qui est ici de l'azote) est acheminé à travers le compresseur 28 et les trajets de flux 8, 14 et 20, à partir d'une conduite appropriée 32. D'autre part, la sortie du trajet de flux 20 du plus grand échangeur de chaleur 6 communique avec l'entrée du trajet de flux 12 de l'échangeur de chaleur mé-

  
 <EMI ID=13.1> 

  
détente mécanique 36 est interposé dans la conduite 34, pour permettre la détente du réfrigérant, comme il sera décrit de façon plus détaillée dans la suite. Le dispositif de détente mécanique est de préférence une turbomachine à détente, afin que l'énergie utilisée puisse être engendrée par la détente du réfrigérant.

  
La capacité calorifique du méthane et de l'azote en divers points du procédé suivant l'invention, telle que représentée dans

  
 <EMI ID=14.1> 

  
née d'après les documents suivants : 
(a) pour le méthane Transactions of the American Institute of Chemical Engineers, 42, 55 (1946).
(b) pour l'azote : U.C. Bureau of Mines Technical Paper
424.

  
Comme indiqué plus haut, le méthane, avant sa liquéfaction, se présente fréquemment à l'état gazeux, à une pression voisine

  
 <EMI ID=15.1> 

  
acheminement vers le plus grand échangeur de chaleur 6, le méthane est de préférence comprimé à une pression supérieure à sa pression critique, soit, à une pression absolue de 1.000 p.s.i. (70,3 kg/cm&#65533; comme il ressort du dessin annexé. Le méthane se présente alors à

  
 <EMI ID=16.1> 

  
sède une capacité calorifique de 388 B.T.U./lb. (215,09 kcal/kg) environ. 

  
Suivant la présente invention, le méthane est acheminé successivement à travers les échangeurs de chaleur 6, 4 et 2
(dans l'ordre indique), dans le but d'abaisser la température du méthane et de réduire sa capacité calorifique, de sorte que le méthane quitte à l'état liquide le trajet de flux 10 de l'échangeur de chaleur 2. La pression absolue du méthane peut être maintenue à 1.000 p.s.i. (70,3 kg/cm<2>) pendant toute la durée de son passage à travers les divers échangeurs de chaleur, le méthane étant ensuite détendu à travers un détendeur approprié (non représenté) pour être amené à une pression voisine

  
de la pression atmosphérique. On conçoit que, en l'occurrence, le méthane quittant le plus petit échangeur de chaleur 2 se présente 4 l'état fluide, au-dessus de sa pression critique, plutôt qu'à l'état liquide. Toutefois, et vu Ci..Le la capacité calorifique du méthane à la pression absolue de 1.000 p.s.i.
(70,3 kg/cm ) (lorsqu'il quitte l'échangeur de chaleur 2) est sensiblement égale à la capacité calorifique du méthane liquide à la pression atmosphérique, le méthane peut être détendu jusqu'à la pression atmosphérique, sans une production appréciable de gaz et de réfrigération. Tout homme de métier conçoit

  
en outre que la pression du méthane sera réduite graduellement entre les échangeurs de chaleur successifs, afin d'obtenir du méthane liquide à la sortie du trajet de flux 10 du dernier échangeur de chaleur 2, aussi longtemps que de telles chutes

  
de pression ne bouleversent pas l'équilibre de l'apport et de la demande entre les courants échangeant leurs calories.

  
L'azote liquide est soumis, par le compresseur 26, à une pression élevée, de préférence supérieure à sa pression critique, soit, 90 atmosphères. L'azote a alors une température de <EMI ID=17.1>  ron 10 B.T.U,/lb (5,54 kcal/kg). On notera que cette mise sous pression a lieu avant que l'azote ne participe &#65533; un échan-

  
 <EMI ID=18.1>  

  
 <EMI ID=19.1> 

  
trajets de flux 8, 14 et 20, respectivement, de façon à obtenir une transmission de chaleur du méthane à l'azote, dans chacun 

  
 <EMI ID=20.1> 

  
ditions du procédé indiquées dans le dessin annexé, on remarquera qu'il existe, dans chacun de ces échangeurs de chaleur, une différence de température entre l'azote et le méthane, propre 

  
 <EMI ID=21.1> 

  
Lorsque l'azote est délivré par le dernier échangeur de chaleur 6, il se présente à une température de SOIF (26,7*C) environ et une pression de 90 atmosphères environ. Ainsi, le premier trajet de l'azote à travers les échangeurs de chaleur est ac-  compli à une pression élevés, sensiblement constante.

  
 <EMI ID=22.1> 

  
de la turboaachine à détente 36, à sa pression élevée. Lorsque l'azote se détend dans la turbomachine à détente 36, sa pression diminue jusqu'à la pression atmosphérique à peu près,

  
 <EMI ID=23.1> 

  
la turbomachine à détente et utilisée de la manière qui sera  décrite dans la suite. 

  
L'azote refroidi est ensuite amené à traverser les échangeurs de chaleur 4 et 6, en suivant les trajets de flux 12 et

  
 <EMI ID=24.1> 

  
La température de l'azote qui s'est refroidi dans les trajets 

  
 <EMI ID=25.1> 

  
de l'azote comprimé qui suit les trajets 14 et 20, respecti-  vement, afin d'empêcher une transmission de chaleur entre les 

  
 <EMI ID=26.1> 

  
1   <EMI ID=27.1> 

  
nière voulue.

  
Les divers calculs relatifs au procédé, indiqués dans le dessin annexé , ont été effectués en supposant 1* égalité des

  
 <EMI ID=28.1> 

  
 <EMI ID=29.1> 

  
Il convient de noter que l'azote absorbe au total 245 B.T.U./lb.

  
 <EMI ID=30.1> 

  
dis que le méthane doit céder au total 370 B.T.U./lb (205,1 kcal/kg), pour être liquéfié. Pour cette raison, on doit faire appel à une réfrigération complémentaire pouvant absorber

  
125 B.T.U./lb. (69,3 kcal/kg) (du méthane). Cette réfrigération complémentaire est fournie par une source frigorifique externe 26, au moyen du trajet de flux 24 traversant le plus grand échangeur de chaleur 6. La nature du réfrigérant qui circule sur le trajet de flux 24 importe peu, sauf que ce réfrigérant doit être plus froid que le méthane, afin d'assurer  un transfert de chaleur du trajet de flux 22 au trajet de flux

  
 <EMI ID=31.1> 

  
température de l'azote qui suit les trajets de flux 18 et 20,  afin d'empêcher une transmission de chaleur entre les deux 

  
 <EMI ID=32.1> 

  
la réfrigération complémentaire est obtenue à un niveau de  température relativement élevé, de sorte que l'on peut employer  des réfrigérants tout à fait courants. 

  
 <EMI ID=33.1> 

  
 <EMI ID=34.1> 

  
 <EMI ID=35.1> 

  
rifique externe 26. D'autre part, une partie de l'énergie  <EMI ID=36.1> 

  
Par conséquent, la majeure partie de l'énergie fournie par la turbomachine à détente 36 peut être utilisée pour la source frigorifique externe 26, de sorte qu'il suffit d'un complément d'énergie limité pour fournir la réfrigération complément aire qui emprunte le trajet de flux 24.

  
Le procédé suivant l'invention est destiné en premier lieu à un système dans lequel le méthane liquide est produit en un point, tandis que l'azote liquide est produit en un point distant, et où l'on désire échanger le méthane et l'azote entre eux. Le méthane liquide et l'azote liquide sont transportés de préférence par les mêmes navires, et, pour maintenir un système de transport économique, le méthane et l'azote liquides devraient être transportés par poids égaux. Pour cette raison, il a été spécifié ici que le procédé suivant l'invention emploie des débits massiques égaux de méthane et d'azote. Le méthane peut être liquéfié par l'emploi du seul azote, c'està-dire, sans réfrigération externe. Toutefois, il faut un complément de un demi-kilogramme environ d'azote pour liquéfier chaque kilogramme de méthane.

   Il est plus économique d'employer des débits massiques égaux et une réfrigération externe, car le tonnage nécessaire des navires transporteurs devrait être augmenté même si un excédent d'azote liquide était disponible aux points distants. Cette dernière constatation se vérifie parce que l'énergie fournie par la turbomachine à détente 36 est sensiblement suffisante peur couvrir

  
 <EMI ID=37.1>   <EMI ID=38.1> 

  
sont à l'état liquide. Des exemples typiques de fluides de remplacement qui peuvent être utilisée dans le présent procédé sont donnés dans le tableau ci-après :

  

 <EMI ID=39.1> 


  
Il ressort de ce qui précède que la présente invention accroit la réfrigération pouvant être obtenue à l'aide d'un réfrigérant initialement liquide. En mettant sous pression le liquide réfrigérant on peut acheminer ce dernier de façon qu'il échange des calories avec le courant à liquéfier, en vue d'obtenir une série d'échelons de transmission de chaleur de ce courant au réfrigérant. Le réfrigérant réchauffé peut alors être amené à se détendre et à être refroidi en traversant une zone de production d'énergie, après quoi le réfrigérant peut être acheminé suivant un second trajet d'échange

Claims

de chaleur avec le courant à liquéfier, en vue d'assurer une réfrigération complémentaire de ce courant. Ce procédé est économique et peut être mis en application d'une façon simple, à l'aide d'un matériel normal. Le procédé n'est point limité au seul cas où les débits massiques de courant à liquéfier et de réfrigérant sont égaux ; toutefois, lorsque ces débits sont égaux, il suffit, pour liquéfier le courant en question, de fournir une faible quantité d'énergie externe, afin d'assurer la réfrigération complémentaire. De plus, le présent procédé produit de l'énergie mécanique, qui peut être utilisée pour fournir la réfrigération complémentaire.

Bien que l'on ait décrit des modes de réalisation particuliers de l'invention, il est bien entendu que cello-ci n'est pas limitée à ces variantes; étant donné qu'elle est susceptible de nombreuses modifications, de sorte qu'elle est censée couvrir toutes les variantes conformes à l'esprit de cette invention et pouvant rentrer dans son cadre.

REVENDICATIONS

1. Procédé pour la réfrigération d'un premier gaz, exécuté en faisant passer ce premier gaz de façon qu'il échange des calories avec un second gaz, à point d'ébullition plus bas, dans au moins deux trajets distincts, dans l'un desquels le second gaz demeure à l'état fluide, tandis que, dans l'autre trajet, le se- <EMI ID=40.1>

qui consistent : à fournir ledit second gaz à l'état fluide, à une pression élevée et à une basse température ; à acheminer

ledit premier gaz de façon qu'il échange des calories avec ledit courant fluide du second gaz, afin que ce dernier cède du froid, de manière à réfrigérer ledit premier gaz et à élever la tempé- rature du courant fluide du second gaz, d'une quantité telle que le courant fluide du second gaz soit converti à l'état gazeux à la suite d'une détente ultérieure jusqu'à une température inférieure, ce qui entraîne une baisse de la température, de façon à rendre disponible, pour la réfrigération, une grande quantité de gaz froid ; à détendre le courant fluide du second gaz jusqu'à une pression moins élevée, en vue de la conversion du courant fluide du second gaz en l'état gazeux, ce qui entraîne une baisse de la température, de façon à fournir une grande quantité de gaz froid pour la réfrigération ;

et à acheminer ledit premier gaz de façon qu'il échange des calories avec le courant détendu dudit second gaz, pour amener ledit second gaz à céder du froid, pour réfrigérer ledit premier gaz.

2. Procédé comme spécifié dans la revendication précédente, dans lequel le courant fluide du second gaz se détend, en fournissant de l'énergie.

3. Procédé comme spécifié dans les revendications précédentes, dans lequel le second gaz possède, à la pression atmosphérique, un point d'ébullition plus grand que le premier gaz.

4. Procédé comme spécifié dans les revendications précédentes, dans lequel le courant fluide du second gaz est comprimé à une pression supérieure à sa pression critique, avant que le courant fluide du second gaz ne soit acheminé de façon à échanger des calories avec le premier gaz.

5. Procédé comme spécifié dans les revendications précédentes, dans lequel le premier courant de gaz est acheminé de façon

à échanger des calories avec le courant du second gaz, en une série d'échelons d'échange de chaleur, afin d'élever graduellement la température du courant dudit second gaz et d'abaisser graduellement la température dudit courant dudit premier gaz.

6. Procédé comme spécifié dans les revendications précédentes, dans lequel le courant fluide du second gaz est détendu jusqu'à la pression atmosphérique, afin de déterminer une baisse

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7. Procédé comme spécifié dans les revendications précédentes, et comprenant la disposition qui consiste à acheminer le courant du premier gaz de façon qu'il échange des calories avec un réfrigérant distinct, en vue d'une évacuation complémentaire de la chaleur.

8. Procédé comme spécifié dans les revendications précédentes, dans lequel le premier gaz est un gaz naturel.

9. Procédé comme spécifié dans les revendications précédentes, dans lequel le premier gaz est un gaz naturel et le second gaz est l'air ou l'azote.

10. Procédé comme spécifié dans les revendications précédentes, dans lequel le courant fluide du second gaz est du gaz naturel liquéfié.

11. Procédé comme spécifié dans -les revendications précédentes, dans lequel, lorsque le courant fluide du second gaz se détend, en fournissant de l'énergie, l'énergie ainsi obtenue est utilisée pour une réfrigération complémentaire du premier gaz.