CA2156249C - Procede et appareil de liquefaction d'un gaz naturel - Google Patents

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Abstract

Le procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'invention consiste à liquéfier au moins en partie ce gaz en le détendant avec fourniture d'énergi e mécanique, le gaz au cours de cette détente passant d'une phase dense à une phase liquide sans transition de phase. Le procédé comporte au moins les deu x étapes suivantes: a) on refroidit le gaz naturel constitué de plusieurs constituants à une pression au moins supérieure ou égale à la valeur de pression critique du méthane et à une température telle que ledit gaz se présente en phase dense à la fin de ce refroidissement, b) on détend et on liquéfie au moins en partie une fraction de ladite phase dense provenant de l'étape a) à travers un dispositif (T3) adapté à diminuer la pression du gaz selon une détente avec fourniture d'énergie mécanique, le passage de l'état en phase dense vers un état en phase liquide se faisant sensiblement sans transition de phase.

Description

~1~fi249 WO 95/18345 .. PCTlFR94101535 PROCEDE ET APPAREIL DE LIQUEFACTION D'UN GAZ NATUREL
La liqufaction du gaz naturel est une opration industrielle importante qui permet de transporter le gaz naturel sur de longues distances par mthanier, ou de le stocker sous forme liquide.

Les procds utiliss actuellement ralisent l'opration de V

liqufaction d'un "gaz naturel" en faisant passer ce gaz naturel travers des changeurs et en le rfrigrant ~au moyen d'un cycle frigorifique externe. Ainsi, les brevets US 3.735.600 et US 3.433.026 dcrivent des procds de liqufaction au cours desquels le gaz est envoy travers un ou plusieurs changeurs de chaleur de manire obtenir sa liqufaction.

Par "gaz naturel", nous entendons par la suite un mlange form majoritairement de mthane mais pouvant contenir galement d'autres hydrocarbures et de l'azote, sous quelque forme qu'il se trouve ( gazeuse, liquide ou diphasique). Le gaz naturel au dpart se prsente majoritairement sous une forme gazeuse, et au cours de l'tape de liqufaction, il peut se prsenter sous diffrentes formes, liquide et gazeuse qui peuvent coexister un instant donn.

Dans de tels procds un cycle de rfrigration externe utilisant comme fluide rfrigrant un mlange de fluides est mis en oeuvre.
Un tel mlange en se vaporisant est susceptible de rfrigrer et de liqufier le gaz sous pression. Aprs vaporisation, le mlange est comprim, .

avec un milieu ambiant tel que de condens en changeant de la chaleur l'eau ou de l'air.

De tels procds sont complexes et mettent en jeu des surtaces d'change leves ainsi que des puissances de compression importantes.

De ce fait, ils conduisent des cots d'investissements levs.

II a t dcouvert, et c'est l un des objets de la prsente invention, qu'il est possible l'issue d'une premire tape de rfrigration de rfrigrer et de liqufier le gaz naturel directement par dtente travers une turbine partir d'une phase "dense". L'expression "phase dense"

dsigne une phase pouvant tre obtenue partir d'une phase gazeuse initiale par une volution isobare sans transition de phase et conduisant par dtente isentropique une phase liquide sans transition de phase. Au moins une partie du procd de liqufaction s'effectue sans transition de phase, c'est--dire que le passage de la phase gazeuse la phase liquide s'effectue de manire continue, sans transformation au cours de laquelle il
2 y aurait coexistence de deux phases différentes. Le gaz naturel est amené
en "phase dense" avant détente, en opérant à une pression au moins supérieure à la préssion critique du méthane, et en abaissant la température du "gaz naturel".
La présente invention concerne un procédé de liquéfaction d'un gaz naturel. II est caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape selon laquelle on liquéfie au moins en~partie ledit gaz par détente avec fourniture d'énergie mécanique, cette déténte le faisant passer d'un état en phase dense vers un état en phase liquide.
Le passage entre ces deux états s'effectue sans transition de phases, c'est-à-dire sans coexistence simultanée de deux phases différentes.
Plus particulièrement, l'invention vise un procédé de liquéfaction d'un gaz naturel, comportant en combinaison les étapes suivantes:
a) on refroidit le gaz naturel à une pression au moins supérieure ou égale à la pression critique du méthane et à une température telle que ledit gaz naturel se présente en phase dense à l'issue de cette étape de refroidissement, et on mélange ledit gaz alternativement avec une fraction gazeuse recyclée, a') on sépare le gaz naturel refroidi en phase dense en deux fractions, une première fraction majoritaire et une deuxième fraction restante, b) on détend et on liquéfie la première fraction majoritaire provenant de l'étape a) à travers un dispositif (T3) adapté à diminuer la pression du gaz naturel selon une détente avec fourniture d'énergie mécanique, de façon à
obtenir à l'issue de cette étape b) une fraction liquide et une fraction gazeuse, c) on sépare (B~ ) la fraction liquide et la fraction gazeuse obtenues au cours de l'étape b), d) la fraction gazeuse résultant de l'étape c) est échangée thermiquement (E3) avec la deuxième fraction restante non détendue du gaz naturel, ladite fraction non détendue et refroidie à l'issue de cette opération est détendue à travers un dispositif de détente (T4) en formant un mélange liquide-vapeur qui est séparé (B~) en une fraction liquide et une fraction gazeuse, 2a e) on réunit les fractions liquides provenant des étapes c) et d) pour former le gaz naturel liquéfié, et f) les fractions gazeuses provenant des étapes c) et d) à l'étape a) sont au moins en partie recomprimées et recyclées, formant ainsi ladite fraction de gaz recyclée à l'étape a) et les fractions non recyclées sont évacuées.
Le gaz naturel liquéfié a une pression sensiblement voisine de la pression atmosphérique à l'issue de l'étape b).
On peut poursuivre la détente de la phase liquide obtenue au cours de l'étape b), jusqu'à l'apparition d'une' fraction gazeuse, et procéder ensuite, par exemple, aux étapes suivantes - on sépare la fraction liquide et la fraction gazeuse au cours d'une étape c), - la fraction gazeuse résultant de l'étape c) est échangée thermiquement avec une fraction non détendue du gaz naturel au cours d'une étape d), ladite fraction non détendue, étant détendue à l'issue de cette opération d'échange thermique au cours d'une étape e) en formant un mélange liquide-vapeur qui est séparé en une fraction liquide et une fraction nn~m ~e~o WO 95!18345 ~ PCT/FR94/01535 on réunit les fractions liquides provenant des étapes c) et e) pour former le gaz naturel liqufi, - on recomprime et on recycle au moins en partie les fractions gazeuses provenant des tapes c) et e) l'tape a), et a - la fraction gazeuse obtenue l'issue de l'tape b) peut tre suprieure ou gale 20 %.

On utilise, par exemple, comme dispositif une turbine pour dtendre le gaz naturel et le faire passer de l'tat en phase dense vers l'tat en phase liquide .

Au cours de l'tape a), on peut refroidir le gaz naturel par change thermique en utilisant une fraction gazeuse provenant dudit gaz naturel, ladite fraction gazeuse tant dtendue dans une turbine, ladite fraction gazeuse dtendue tant au moins en partie recomprime dans un tage de compression et recycle.

On comprime, par exemple, au moins une fraction gazeuse:
recycle en mettant en oeuvre au moins deux tages, le gaz tant refroidi la sortie de chacun des tages de compression par un milieu ambiant de rfrigration disponible.

Au cours de l'tape a), on peut aussi refroidir le gaz naturel par vaporisation d'un mlange de rfrigrants, le mlange ainsi obtenu se prsente en phase vapeur ou phase gazeuse. II est ensuite comprim, condens par un change thermique avec le milieu ambiant de rfrigration disponible, dtendu et recycl.

Le mlange de rfrigrants peut tre dtendu et vaporis au moins deux niveaux de pression.

Lorsque le gaz naturel comporte des hydrocarbures lourds, on peut sparer ies hydrocarbures les plus lourds contenus dans le gaz naturel liqufier pralablement l'tape a) au moyen d'un tape d'adsorption.

On ralise l'tape a) une de pression suprieure la pression critique du mthane et de prfrence suprieure la pression critique du mlange formant le gaz naturel.

De ~ prfrence, encore, on ralise l'tape a) une pression suprieure au cricondenbar du gaz liqufier.

L'tape a) est ralise une pression comprise, de prfrence, entre 7 et 20 MPa.

La température que possède le gaz naturel à l'issu de l'étape a) est de préférence, comprise entre 165 et 230 K.

WO 95/18345 4 . PCT/FR94/01535 Pour un gaz naturel comportant des hydrocarbures plus lourds que le méthane, on sépare les hydrocarbures au moins en partie au cours d'une étape préliminaire opérée à une pression inférieure à la pression de l'étape a). , Le gaz naturel au cours de l'étape a) est détendu jusqu'à une température telle qu'après détente, une fraction liquide concentrée en hydrocarbures plus lourds que le méthane est produite, ladite fraction liquide étant alors séparée.
L'étape b) est, par exemple, réalisée par détente dans une turbine dont les éléments~sont isolés thermiquement du gaz, étant notamment peu conducteurs de la chaleur .
L'étape b) est, par exemple, réalisée par détente dans une turbine ayant un rotor réalisé en matériau composite.
Les échanges de chaleur au cours des étapes a) et d) peuvent être effectués en faisant passer le gaz dans des échangeurs opérant à contre cou rant.
On peut réaliser l'échange thermique de l'étape d) en faisant passer le gaz naturel dans un échangeur présentant un écart de température du côté le plus froid de l'échangeur inférieur à 5 K et un écart de température du côté le plus chaud de !'échangeur inférieur à 10 K.
On peut réaliser la détente au cours de l'étape b) au moyen d'au moins deux turbines successives, le mélange liquide-vapeur provenant de la première détente partielle étant séparé, en une fraction gazeuse et une fraction liquide, ladite fraction gazeuse étant envoyée pour réaliser l'étape d) et ladite fraction liquide résultante étant détendue dans la deuxième turbine, la fraction liquide à l'issue de cette deuxième détente formant une partie du gai naturel liquéfié produit par le procédé.
Au moins une partie de la fraction gazeuse provenant de l'étape b) est mise, par exemple, en contact à contre-courant avec la fraction liquide provenant de l'étape e), la fraction liquide résultante étant réunie avec la fraction liquide provenant de l'étape b) pour former le gaz naturel liquéfié
et la fraction gazeuse résultante étant réunie avec la fraction gazeuse provenant de l'étape e) pour former au moins en partie une fraction ' gazeuse riche en azote qui est évacuée.
La présente invention concerne aussi un appareil destiné à mettre en oeuvre le procédé décrit précédemment.

fl est caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison au moins un dispositif E2 permettant de refroidir le gaz naturel à liquéfier et de l'amener en phase dense, au moins un moyen R1 de refroidissement, ledit dispositif E2 étant relié directément à au moins un moyen T4 capable de détendre ledit gaz naturel se présentant sous forme de phase dense pour le liquéfier.
Le moyen ou dispositif capable de 'détendre le gaz naturel sous forme de phase dense est constitué d'au moins une turbine de détente dont au moins un des éléments est réalisé en un matériau peu conducteur de la chaleur. De cette façon, on évite les transmissions de chaleur par conduction thermique.dans les éléments de la turbine pouvant conduire à
une réduction de l'efficacité de la réfrigération par détente.
Plus particulièrement, l'invention propose un appareil pour la liquéfaction d'un gaz naturel selon le procédé décrit ci-dessus comportant un conduit d'arrivée du gaz naturel et de préférence un conduit d'un gaz recyclé, lesdits conduits étant reliés à un dispositif (E2) permettant de refroidir le gaz naturel, un conduit permettant le passage d'un fluide de réfrigération, à
l'intérieur du dispositif (E2), un conduit de sortie relié au dispositif (E2) du gaz naturel refroidi et se présentant sous forme de phase dense, un circuit de compression et de condensation (K3, C3, ...), caractérisé en ce que le conduit de sortie est séparé en un premier et un deuxième sous conduits, ledit premier sous conduit étant relié à un premier dispositif de détente (T3), ledit second sous conduit étant relié directement à un dispositif de réfrigération (E3), comportant un conduit de sortie de la fraction de gaz naturel réfrigérée, ledit conduit étant relié
à un second dispositif de détente (T4), lesdits dispositifs de détente (T3, T4) étant reliés à un moyen de séparation (B1) des fractions de gaz naturels détendus et issus des dispositifs de détente (T3, T4) par des conduits respectivement, ledit moyen de séparation (B1) étant pourvu d'au moins un conduit d'évacuation de la phase vapeur et d'au moins un conduit d'évacuation du gaz naturel liquéfié.

5a Ainsi, la présente invention offre de nombreux avantages par rapport aux procédés habituellement utilisés dans l'art antérieur. En effet, le fait de travailler à une valeur de pression initiale pour le gaz supérieure aux valeurs utilisées par les procédés mentionnés dans l'art antérieur permet de réduire l'énergie nécessaire pour la liquéfaction du gaz naturel.
De plus, la liquéfaction directe du gaz naturel par détente permet de réduire les surfaces des échangeurs de chaleur nécessaires et de simplifier le procédé, en réduisant ainsi les coûts d'investissements induites.
La présente invention sera mièux comprise et ses avantages aPParaïtront clairement à la lecture de quelques exemples, non limitatifs, illustrés par les figures suivantes parmi lesquelles - la figure 1 schématise un exemple de cycle de réfrigération tel que décrit dans l'art antérieur comportant un cycle de préréfrigération, - la figure 2 décrit ~un exemple de cycle de l'art antérieur utilisant un gaz permanent, - les figures 3A, 3B et 3C schématisent respectivement le principe de base utilisé selon l'invention, un diagramme pression température des différentes phases pôur un gaz naturel, par exemple, et un exemple particulier de réalisation.
- la figure 4 décrit un exemple de réalisation adaptée à la liquéfaction d'un gaz comportant de l'azote, et séparant partiellement l'azote, - la figure 5 décrit un exemple de réalisation pour lequel l'étape de nrnr6frinbratinn oct acci m~c nar i m mnlanno roc réfrin6rantc ot i 2~.â~~4~
- la figure 6 décrit un exemple de réalisation pour la liquéfacüon d'un gaz naturel contenant de l'azote, dans lequel une partie de la fraction gazeuse produite par détente est recyclée, et l'étape de réfrigération est effectuée par un mélange de réfrigérants.
La figure 1 représente un schéma de principe d'un procédé utilisé
selon l'art antérieur pour liquéfier un gaz naturel, par exemple.
Le procédé de liquéfaction comporte un cycle de préréfrigération qui permet de condenser le mélange utilisé dans le cycle de réfrigération pri ncipal.
Le cycle de préréfrigération et le cycle de réfrigëration principal utilisent comme fluide réfrigérant un mélange de fluides. Un tel mélange en se vaporisant est susceptible de réfrigérer et de liquéfier le gaz sous pression. Après vaporisation, le mélange est comprimé, condensé en échangeant de la chaleur avec le milieu ambiant, tel que de l'eau ou de l'air, disponible et recyclé.
Une autre manière de procéder selon l'art antérieur consiste à utiliser un cycle fonctionnant avec un gaz permanent tel que de l'azote. Un tel schéma est décrit dans la figure 2.
Le gaz naturel arrive sous pression par le conduit 1. II passe ensuite dans l'échangeur E1 dans lequel il est liquéfié et refroidi . A la sortie de l'échangeur E1, ie gaz naturel liquéfié est détendu jusqu'à une valeur de pression voisine de la pression atmosphérique par passage dans une vanne de détente V1 et évacué ensuite par le conduit 2.
Le refroidissement du gaz naturel est assuré par un gaz permanent circulant dans le cycle de réfrigération constitué d'une turbine T1, d'un conduit 4 reliant la turbine T1 à l'échangeur E1, et d'un conduit 5 permettant le passage du gaz permanent de l'échangeur vers une série de compresseurs et de moyens de refroidissement agencés en cascade K1, C1, K2, C2 par exemple. Ainsi, le gaz permanent circulant dans le cycle de réfrigération est comprimé dans l'étage de compression K1, refroidi par passage dans le moyen de refroidissement C1 puis passe ensuite dans l'étage de compression K2 dans lequel il est comprimé pour être refroidi ensuite par passage dans l'étage de refroidissement C2. Le gaz permanent ainsi comprimé et refroidi, est envoyé par le conduit 3 vers la turbine T1 dans laquelle il subit une détente et d'où il ressort refroidi avant d'être envoyé dans l'échangeur E1 par le conduit 4. Le gaz permanent ainsi réfrigéré refroidit le gaz naturel lors de leur mise en contact dans _~~~~2~9 WO 95/18345 . . PCTIFR94/01535 l'échangeur E1. A la sortie de cet échangeur et après avoir réalisé le refroidissement du gaz naturel, le gaz permanent est envoyé à nouveau et recyclé dans les étages de compression et de refroidissement par le conduit 5.

Un tel cycle est utilis pour des units de petite capacit, notamment du fait de sa simplicit. II est toutefois reconnu que ses performances sont nettement infrieures celles d'un cycle utilisant un mlange de rfrigrants. De plus, il implique la recirculation d'un dbit trs important de gaz rfrigrant.

On peut remplacer le gaz permanent auxiliaire utilis comme rfrigrant, tel que de l'azote, par une fraction du gaz liqufier exerant alors la mme fonction. Le principe de fonctionnement du cycle reprsent sur la figure 2 reste identique au principe dcrit prcdemment.

Le principe mis en oeuvre selon l'invention dcrite ci-aprs consiste, partir d'un gaz naturel en phase dense, arriver au moins en partie sa liqufaction sans transition de phase, c'est--dire qu'au moins une partie du processus de liqufaction s'effectue sans transition de phase au cours de laquelle il y aurait coexistence entre deux phases de natures diffrentes. Ainsi, tout au long du processus de liqufaction le passage de la phase dense la phase liquide s'effectue de manire continue, une transition de phase impliquant un passage discontinu.

Le procd repose sur la mise en oeuvre, essentiellement d'au moins deux tapes, la premire consistant amener le gaz naturel en phase dense et la seconde produire une dtente avec fourniture d'nergie mcanique, par exemple une dtente sensiblement isentropique, faisant passer le gaz naturel en phase dense en phase liquide.

Le gaz arrive par le conduit 7 (Fig. 3A) en phase gazeuse, dans un tat thermodynamique reprsent par le point G1 (Fig.3B}, dans un changeur E2 dans lequel il est pr refroidi une temprature donne, au contact d'un agent de refroidissement provenant d'un cycle de rfrigration R1. Le gaz naturel se prsente en sortie de l'changeur E2, en phase dense, au point G2 (Fig.3B). II est ensuite transmis de l'changeur E2 vers la turbine T4 dans laquelle il est dtendu par le conduit 15. Aprs passage dans la turbine T4, il se trouve au moins en partie en phase liquide au . 35 point G3. La transformation de la phase dense la phase liquide s'effectue par dtente avec fourniture d'nergie mcanique et sans transition de phase.

La phase liquide obtenue au point G3 après détente est, par exemple, une phase liquide saturée. Lorsque l'on poursuit l'opération de détente à
partir de cette phase liquide saturée, il apparaît une fraction gazeuse ou vapeur qui, après échange thermique peut être recyclée, ou encore utilisée par ailleurs. Elle est, par exemple, employée comme combustible sur le site de l'installation de liquéfaction.
Le processus est illustré dans un diagramme de coordonnées pression (P) et température (T) représenté sur la figure 3B. Dans ce diagramme, à l'intérieur du domaine diphasique coexistent une phase liquide et une phase gazeuse. A l'extérieur de ce domaine diphasique, on définit trois domaines. Le domaine de la phase gazeuse est délimüé par la branche vapeur v (courbe de rosée) du domaine diphasique et l'isentrope s passant par le point critique C. Le domaine de la phase dense est délimité d'une part par l'isentrope s et d'autre part par l'isobare p passant par le point critique C. Le domaine de la phase liquide est délimité d'une part par l'isobare p et par la branche liquide I (courbe de bulle) du domaine diphasique.
L'évolution suivie par le gaz naturel au cours du processus selon l'invention se déroule de la manière suivante Le gaz naturel à liquéfier se trouve initialement dans un état en phase gazeuse représenté par un point G1 à une température TG1 et à une pression PG1. II est ensuite refroidi de manière sensiblement isobare de manière à l'amener dans un état en phase dense représenté par le point G2, à une pression et une température respectivement PG2 et TG2. Le passage de G1 à G2 s'effectue, par exemple, de manière continue, sans transition de phase, en passant par le point F1 de l'isentrope p délimitant le domaine de phase gazeuse du domaine de phase dense. Le gaz naturel en phase dense, point G2, est alors détendu de manière sensiblement isentropique pour le faire passer dans un état en phase liquide, et de préférence dans un état en phase liquide saturé représenté par un point G3 se trouvant, par exemple, sur la branche liquide I du domaine diphasique, correspondant à des valeurs de température et de pression TG3 et PG3. La valeur de la pression PG3 est, de préférence, sensiblement égale à celle de la pression atmosphérique. Le passage de l'état représenté par le point G2 à l'état représenté par le point G3 s'effectue en .
passant par le point F2 de l'isobare p délimitant le domaine de phase WO 95/18345 .- PCT/FR94/01535 dense du domaine de phase liquide, de manière continue sans transition de phase, c'est--dire sans coexistence entre deux phases diffrentes.

Comme cel a t indiqu prcdemment, la dtente peut tre poursuivie dans le domaine diphasique en gnrant une fraction vapeur ' 5 ou gazeuse.

Dans une version prfre du procd selon l'invention, la ' temprature l'issue de l'tape de rfrigration prcdent l'tape de dtente est comprise entre 165 et 230K.

II a t dcouvert que pour oprer dans de telles conditions tout en maintenant la pression au cours de l'tape a) de prfrence entre 7 et 20 MPa, il est ncessaire d'admettre une valeur de la fraction gazeuse l'issue de l'tape de dtente suprieure une valeur minimale, par exemple 20 %.

La description ci-aprs du procd selon l'invention en relation avec la figure 3C illustre l'application du procd la liqufaction d'un gaz naturel .

Le gaz naturel arrive par une conduite 7 vers un changeur E2 sous une pression suprieure au moins la valeur de pression critique du mthane, dans lequel il est refroidi une temprature, par exemple comprise entre 165 K et 230 K. Cette tape de pr rfrigration du gaz est assure, par exemple, par une fraction du gaz naturel prlev avant son entre dans un changeur E2 par une conduite 8 qui transfre cette fraction prleve une turbine de dtente T2. La fraction prleve est refroidie au cours de la dtente, effectue et opre en phase gazeuse dans la turbine T2, elle est ensuite envoye dans l'changeur E2 par un conduit 9. La fraction gazeuse prleve et refroidie joue ainsi le rle d'agent de refroidissement et permet d'abaisser la temprature du gaz naturel pntrant dans l'changeur E2. Tout rfrigrant externe prsentant des caractristiques permettant de refroidir un gaz peut remplacer la fraction du gaz naturel prleve et refroidie.

Le gaz naturel sort ainsi de l'changeur E2 refroidi en phase "dense"

par un conduit 10. Une fraction de cette phase "dense" est envoye directement par un conduit 11, par exemple, une turbine de dtente T3. A

la sortie de la turbine T3, on obtient, par exemple, un mlange compos majoritairement de phase liquide. Le mlange est vacu par un conduit 12, une pression voisine de la pression atmosphrique, de la turbine T3 vers un ballon sparateur B1 dans lequel les fractions liquide et gazeuse WO 95/18345 ~ '~ PCT/FR94/01535 sont séparées. La fraction gazeuse prélevée du ballon B1 est envoyée par un conduit 13 dans un échangeur E3.
La fraction de gaz naturel refroidi en phase "dense" provenant de l'échangeur E2 qui n'a pas été envoyée à la turbine T3 passe par un 5 conduit 14 dans un échangeur E3 dans laquelle elle est réfrigérée par échange thermique avec la fraction gazeuse arrivant par le conduit 13. Le gaz naturel ainsi réfrigéré sort de l'échangeur E3 à une température plus basse que la température qu'il possède à l'entrée de cet échangeur par exemple à une température voisine de la température de la fraction 10 gazeuse arrivant par le conduit 13. Elle est ensuite envoyée par un conduit à une turbine T4 dans laquelle elle est détendue. A la sortie de la turbine T4, on obtient le mélange majoritaire en phase liquide qui est envoyé par un conduit 16 au ballon séparateur B1. Les deux fractions de phase liquide recueillies dans le ballon B1 forment le gaz naturel liquéfié
15 évacué par un conduit 17.
En détendant une telle phase dense, c'est-à-dire une phase obtenue après la mise en oeuvre de la première étape selon l'invention, dans une ou plusieurs turbine(s), la réfrigération est poursuivie et on obtient, par exemple, directement à la sortie du dernier étage de détente un mélange contenant une phase liquide majoritaire à une pression voisine de la pression atmosphérique et à une température voisine de la température d'ébullition du méthane (111,66K).
La fraction gazeuse provenant du ballon séparateur B1, après séparation ainsi qu'il a été mentionné ci-dessus, passe dans l'échangeur E3 par un conduit 13 et est envoyée à l'échangeur E2 par un conduit 18 d'où elle ressort à une température voisine de la température d'entrée du gaz naturel à liquéfier. Elle est alors envoyée à un étage de compression K3 par un conduit 19. A la sortie de l'étage de compression K3, la fraction gazeuse est refroidie par échange thermique avec le milieu ambiant, eau ou air, disponible dans un échangeur C3, puis elle est mélangée avec une fraction gazeuse provenant de la détente à travers la turbine T2 de la partie gazeuse initialement prélevée avant l'échangeur E2, ladite fraction gazeuse venant de l'échangeur E2 par un conduit 20 relié et débouchant .
dans le conduit 19, par exemple entre l'échangeur C3 et un étage de compression K4. Le mélange gazeux ainsi obtenu est comprimé dans l'étage de compression K4 puis refroidi par échange thermique avec le milieu ambiant, eau ou air disponible. Le mélange gazeux ainsi comprimé

2~~6~~9 WO 95/18345 ~ ~ ~ . PCT/FR94/01535 et refroidi est recyclé par le conduit 21 et mélangé avec le gaz naturel à
liquéfier arrivant par le conduit 7.
Chacun des étages de compression K3 et K4 peut être avantageusement remplacé par une succession d'étages de compression, le mélange gazeux sortant d'un étage de compression étant refroidi par échange thermique avec le milieu ambiant, eau ou air, disponible, avant d'être envoyé à l'étage suivant de manière à rapprocher la compression opérée d'une compression isotherme effectuée à une température voisine de la température du milieu ambiant, eau ou air, disponible.
Le procédé selon l'invention met au moins en oeuvre les deux étapes suivantes 1 ) au cours d'une première étape a) le gaz naturel est refroidi à une pression au moins supérieure à la pression critique du méthane et à
une température telle que le gaz naturel se présente en phase dense à
la fin de cette étape de refroidissement, 2) on détend et on liquéfie au moins en partie une fraction de la phase dense provenant de l'étape a) à travers un dispositif adapté à diminuer la pression du gaz naturel, tel qu'une turbine, selon une détente avec fourniture d'énergie mécanique, le passage de l'état en phase dense à
un état en phase liquide s'effectuant sans transition de phase.
Lorsque l'opération de détente se poursuit jusqu'à l'apparition d'une fraction gazeuse, le procédé inclut par exemple, les étapes suivantes
3) on sépare la fraction gazeuse et la fraction liquide résultant de l'étape b) au cours d'une étape c), .
4) la fraction gazeuse résultant de l'étape c) est échangée thermiquement avec une fraction non détendue du gaz naturel au cours d'une étape d), ladite fraction non détendue, est détendue à l'issue de cette opération d'échange thermique au cours d'une étape e) en formant un mélange liquide-vapeur qui est séparé en une fraction liquide et une fraction gazeuse,
5) les fractions liquides provenant des étapes c) et e) sont réunies au cours d'une étape f) pour former le gaz naturel liquéfié, et
6) les fractions gazeuses provenant des étapes d) et e) sont au moins en partie recomprimées et recyclées à l'étape a).
Lorsque le gaz naturel contient des hydrocarbures plus lourds que le méthane, la pression critique du mélange formant le gaz naturel est supérieure à la pression critique du méthane. Dans ce cas, la pression à

WO 95/18345 a PCT/FR94/01535 laquelle est effectuée l'étape a) est de préférence supérieure à la pression critique dudit mélange.
La pression à laquelle est effectuée l'étape a) est également, de préférence, supérieure au cricondenbar défini pour un mélange comme étant la pression au-dessus de laquelle deux phases ne peuvent coexister.
Dans le cas illustré par la figure 3C, la fraction de gaz naturel en phase "dense" qui n'est pas détendue dans la turbine T3 est refroidie dans ' l'échangeur E3 jusqu'à une température proche de la température finale du gaz naturel liquéfié produit.
La fraction de gaz naturel détendue dans la turbine de détente T3 représente une fraction majoritaire du gaz naturel présent à l'entrée, cette fraction étant de préférence supérieure aux deux tiers du gaz naturel présent à l'entrée de l'échangeur E3 et arrivant par le conduit 10.
Le travail de détente utilisé pour détendre le gaz naturel est, par exemple, récupéré dans les turbines T3 et T4 et utilisé, par exempte, pour entraîner les étages de compression K3 et K4 et/ou, dans le cas du schéma des figures 5 et 6, les étages de compression K5 et K6. Le complément d'énergie mécanique éventuellement nécessaire est fourni, par exemple, par une turbine à vapeur ou, de préférence, par une turbine à
gaz.
II peut être avantageux de placer sur un même arbre deux ou plusieurs étages de compression ainsi que deux ou plusieurs turbines.
En augmentant le niveau de pression auquel est réalisée l'étape a), il est possible de réduire le complément d'énergie mécanique nécessaire pour liquéfier le gaz naturel.
Le procédé selon l'invention est d'autant plus avantageux que la pression à laquelle on effectue l'étape a) est élevée. La pression utilisée doit être au moins égale à la pression critique du méthane (4,6 MPa) et, de préférence, supérieure au cricondenbar du mélange qui constitue le gaz naturel à liquéfier. Elle se situe, avantageusement dans un intervalle compris par exemple entre 7 et 20 MPa.
En abaissant la température à l'issue de l'étape a), on réduit la quantité de phase gazeuse recyclée à l'issue de la détente opérés au .
cours de l'étape c). Comme cela a été indiqué précédemment, la température est, de préférence, comprise entre 165 K et 230K.
Lorsque le gaz naturel contient des hydrocarbures plus lourds que le méthane, ces hydrocarbures sont, par exemple, au moins en partie WO 95!18345 r PCT/FR94/01535 s.
séparés du gaz naturel avant l'opération de liquéfaction, notamment pour éviter tout risque de cristallisation au cours de la liquéfaction.
Dans le cas où la pression est supérieure au cricondenbar, les hydrocarbures plus lourds que le méthane ne peuvent pas ëtre condensés par réfrigération. II a été découvert que, dans ce cas, ils sont avantageusement séparés par une étape d'adsorption sur un adsorbant constitué par exemple par une alumine, une zéolithe ou un charbon actif.
L'adsorbant est mis en oeuvre, par exemple, dans au moins deux lits fixes opérant en parallèle. Un lit opère, par exemple, en adsorption pendant qu'un autre lit opère en désorption. La désorption est réalisée, par exemple, par diminution de la pression et/ou augmentation de la température. Les hydrocarbures plus lourds que le méthane qui doivent être séparés, se fixent sur l'adsorbant au cours de l'étape d'adsorption, puis ils sont séparés au cours de l'étape de désorption.
Une autre manière de procéder lorsque le gaz naturel comporte des hydrocarbures lourds, consiste, au cours de l'étape a) à refroidir le gaz naturel à une température telle qu'à l'issue d'une détente sensiblement isentropique ayant amené le gaz à une pression inférieure au cricondenbar du mélange, il se forme une phase liquide par condensation rétrograde. Le mélange détendu est ensuite refroidi à une pression sensiblement constante. La phase liquide comprenant les hydrocarbures plus lourds que le méthane, à séparer, est alors prélevée à l'issue de l'opération de détente et/ou au cours du refroidissement ultérieur du mélange opéré à une pression sensiblement constante.
Lorsque le gaz naturel comporte des hydrocarbures plus lourds que le méthane, il est également possible de séparer ces hydrocarbures au cours d'une étape préalable effectuée à une pression inférieure à la pression à laquelle on réalise l'étape a). Dans ce cas, si la pression au cours de ladite étape préalable est inférieure au cricondenbar, les hydrocarbures plus lourds que le méthane peuvent être séparés par différents moyens connus tels que des moyens de condensation, distillation et/ou adsorption dans un solvant, par exemple, à une température inférieure à la température ambiante.
A l'issue de cette étape préalable, le gaz peut être comprimé, au moyen d'une étape de compression réalisée dans des conditions aussi proches que possible que celles d'une compression isotherme au moyen d'étages de compression alternant avec des étages de refroidissement, le WO 95/18345 PCT/FR9.~/01535 refroidissement étant opéré à l'aide d'un fluide de refroidissement, eau ou air disponible, par exemple sur le site de liquéfaction.
De manière générale, une telle étape de compression préalable est prévue lorsque la pression du gaz à liquéfier est insuffisante pour effectuer l'étape a) dans des conditions satisfaisantes.
En particulier, une telle étape de compression peut devenir nécessaire lorsque la pression du gaz en tête du puits devient trop faible, par exemple, à l'issue d'une période d'exploitation du gisement de gaz naturel.
i 0 Dans le cas où le gaz naturel à liquéfier contient de l'azote, et lorsque cela s'avère nécessaire, il est possible de séparer au moins en partie cet azote.
On procède par exemple de la façon suivante II a été découvert qu'il est possible d'obtenir à l'issue de la détente opérée au cours de l'étape b) une phasé gazeuse concentrée en azote et, de séparer ainsi au moins une fraction de l'azote contenue dans le gaz naturel à liquëfier sans avoir à liquéfier cette fraction d'azote, en mélange avec le gaz naturel. En effet, liquéfier le gaz naturel en présence de cette fraction d'azote est doublement pénalisant puisque la présence de cette fraction d'azote rend l'opération de liquéfaction plus difficile et qu'ensuite, cette fraction d'azote doit être séparé de la phase liquide obtenue, par exemple par un processus de distillation.
Le procédé dans ce cas est réalisé, par exemple selon le schéma de principe représenté sur la figure 4.
Le gaz naturel est envoyé dans l'échangeur E2 par le conduit 7. A
l'issue de l'étape de refroidissement dans l'échangeur E2, le gaz naturel sort sous une forme de phase "dense". La fraction de cette phase "dense"
peut être détendue directement, par au moins deux étapes de détente successives décrites ci-après.
Une première fraction de la phasé dense est envoyée par le conduit 11 de la sortie de l'échangeur E2 vers une turbine T31 dans laquelle elle est détendue. A l'issue de cette première étape de détente, le mélange obtenu par détente est évacué par un conduit 30 de la turbine T31 vers un .
ballon séparateur B2 dans lequel les fractions liquide et gazeuse du mélange sont séparées. La fraction gazeuse est, par exemple, envoyée ou recyclée par un conduit 31 dans l'échangeur E3.

~~~~~49 La fraction liquide séparée dans le ballon séparateur B2 est appauvrie en azote, puis évacuée par un conduit 32 vers une turbine T32 où elle est détendue et d'où elle ressort sous la forme d'un mélange liquide-vapeur. A la sortie de la turbine T32, ce mélange liquide-vapeur 5 obtenu est envoyé à la base ou partie inférieure d'un contacteur S1 par une conduite 35.
' La fraction de gaz naturel refroidi en phase dense provenant de l'échangeur E2 et non dérivée. vers la turbine T31 est envoyée par un conduit 14 vers l'échangeur E3. Elle est réfrigérée dans cet échangeur par 10 échange thermique avec la fraction gazeuse provenant du conduit 31. En sortie d'échangeur E3, la fraction en phase dense est à une température intérieure à sa température initiale d'entrée dans l'échangeur E3, sensiblement voisine de la température ~de la fraction gazeuse arrivant par le conduit 31. Cette fraction en phase dense issue de l'échangeur E3 est 15 envoyée par un conduit 15, dans une turbine T4, dans laquelle elle est détendus. Le mélange liquide-vapeur, composé en majorité de phase liquide obtenu après détente à la sortie de la turbine T4 est envoyé en tête du contacteur S1, partie supérieure du contacteur, par un conduit 36. La phase liquide sortant de la turbine T4 est relativement concentrée en azote. Dans le contacteur S1, elle est contactée à contre-courant avec la fraction gazeuse arrivant à la base du contacteur S1 par le conduit 35 dont la composition est proche de l'équilibre avec une phase liquide relativement pauvre en azote. Dans le contacteur S1, la phase liquide qui descend s'appauvrit en azote et la phase gazeuse qui monte s'enrichit en azote. 11 est ainsi possible d'obtenir, à la base du contacteur S1, une fraction liquide relativement pauvre en azote et en tête du contacteur S1 une fraction gazeuse relativement riche en azote. La fraction liquide recueillie à la base du contacteur S1 forme le gaz naturel liquéfié évacué
par un conduit 38. La fraction gazeuse recueillie en tâte du contacteur S1 forme la fraction gazeuse concentrée en azote qui est séparée du gaz naturel.
Cette fraction gazeuse concentrée en azote est évacuée par un conduit 34 et envoyée à un échangeur E4 d'où elle ressort par un conduit 37. Dans l'échangeur E4, la fraction gazeuse concentrée en azote est réchauffée par échange thermique aved une fraction du gaz naturel dérivée du gaz naturel introduit arrivant par un conduit 33 reliant directement le conduit d'introduction 7 du gaz naturel à l'échangeur E4.

WO 95/18345 ~ ~ 6 PCTIFR94/01535 Cette fraction du gaz naturel dérivée directement du conduit d'introduction 7 est refroidie dans l'échangeur E4, puis détendue à travers une vanne de détente V3 située sur le conduit 36 reliant l'échangeur E4 au contacteur S1. La fraction de gaz naturel dérivée et détendue est ensuite mélangée avec le mélange liquide-vapeur provenant de la turbine T4, et envoyée au contacteur S1, le mélange des deux fractions liquide vapeur s'effectuant au niveau du conduit 36.
II est également possible d'envoyer la fraction gazeuse sortant en tête du contacteur S1 aux échangeurs de chaleur E3 et E2, qui doivent dans ce cas, comporter des moyens d'échange complémentaires.
Le contacteur S1 est formé par exemple d'un élément de colonne à
garnissage ou de colonne à plateaux. Le nombre d'étages théoriques du contacteur S1 est par exemple de 3 ou de 4.
Un exemple de fonctionnement du procédé selon l'invention est présenté par la suite.
Pour un gaz naturel à liquéfier disponible à une valeur de température de 308 K, ayant une valeur de pression de 150 bars et contenant 7,7 % masse d'azote Une première fraction f1 de ce gaz naturel est refroidie par les échangeurs E2 et E3 jusqu'à une température de 122 K. Le gaz naturel se trouve ainsi en sortie de l'échangeur E3 dans un état en phase "dense". II
est ensuite liquéfié au moins partiellement par une détente dans la turbine T4, par exemple, à pression atmosphérique puis est introduit par le conduit 16 en tête du contacteur S1.
Une deuxième fraction f2 prélevée en amont de l'échangeur E2 est refroidie jusqu'à 185 K par une détente sensiblement isentropique dans la turbine T2 jusqu'au voisinage de sa pression de rosée. Cette fraction refroidie et détendue est ensuite introduite par le conduit 9 dans l'échangeur E2 où elle se réchauffe à contre courant avec la première fraction f1. A l'issue de cet échange, la fraction f2 passe dans un train de compresseurs réfrigérés par le milieu ambiant K4, C4, dans laquelle elle est comprimée et refroidie, puis est mélangée au gaz naturel à liquéfier introduit par le conduit 7.
En sortie de l'échangeur E2, une troisième fraction f3 est prélevée et refroidie, par exemple, jusqu'à 117 K par une détente sensiblement isentropique dans une turbine T31. La fraction gazeuse est séparée du mélange gaz/liquide obtenue par détente de la fraction f3 dans le ballon WO 95118345 _ ~ PCT/FR94/01535 î7 B2, et introduite par le conduit 31 dans l'échangeur E3, puis par le conduit 18 dans l'échangeur E2 où elle se réchauffe à contre courant avec la première fraction f1. A l'issue de ce réchauffement, la fraction f3 passe . dans un train de compresseurs K3, C3, réfrigérés, par exemple, par le milieu ambiant puis est mélangée à la deuxième fraction f2 en amont du train de compresseurs K4, C4 réfrigérés eux aussi, par exemple, par le milieu ambiant.
La fraction liquide provenant du ballon B2 est détendue par passage dans la turbine T32 à pression atmosphérique et introduite dans la partie inférieure, par exemple, au fond du contacteur S1. Au contact du liquide situé dans la partie supérieure du contacteur, riche en azote (6,7 masse), la fraction vapeur ou fraction gazeuse s'enrichit en azote. A la sorite du contacteur S1, la fraction vapeur contient 66 % en masse d'azote et le gaz naturel liquéfié 1,3 % en masse d'azote. Cette fraction vapeur est réchauffée jusqu'à la température ambiante par une fraction f4 du gaz naturel à trâiter, est introduite en tête du contacteur avant d'être rejetée..
Les fractions f1, f2, f3 et f4 sont choisies de telle sorte que les approches thermiques aux échangeurs soient minimales.
Les pertes en méthane dans le gai purgé sont de 3,5 %.
La détente effectuée au cours de l'étape b) s'accompagne d'une variation importante de température qui est, par exemple, supérieure à
50°C. Dans le cas où la détente est . réalisée dans deux ou plusieurs turbines successives, il en résulte un écart relativement important entre les températures d'entrée et de sortie pour chaque turbine. En outre, la détente est opérée en phase "dense" ou liquide. Les échanges thermiques entre le fluide en cours de détente et les éléments de la turbine peuvent, dans ces conditions, réduire l'efficacité de la détente.
II a été découvert qu'il est avantageux de réaliser la détente dans une turbine dont les éléments sont réalisés en matériaux peu conducteurs de la chaleur. Ils sont ainsi isolés thermiquement du gaz naturel.
Ces éléments peuvent ëtre des composants métalliques revêtus d'une couche thermiquement isolante. Ces éléments, et notamment le - rotor, peuvent également être réalisés en un matériau composite faiblement conducteur de la chaleur.
Les échanges de chaleur réalisés au cours des étapes a) et d) sont effectués dans des échangeurs de chaleur opérant à contre-courant. Ces échangeurs de chaleur sont, par exemple, des échangeurs à passes multiples et sont, de préférence, constitués par des échangeurs à plaques.
Ces échangeurs à plaques peuvent être, par exemple, des échangeurs en aluminium brasé. II est également possible d'utiliser des échangeurs en acier inoxydable dont les plaques sont soudées entre elles.
Les canaux dans lesquels circulent les fluides participant à l'échange de chaleur peuvent être obtenus par différents moyens en disposant entre les plaques des plaques intercalaires ondulées, en formant les plaques, par exemple par explosion, en rainurant les plaques, par exemple par gravure chimique. .
II est également possible d'utiliser des échangeurs bobinés.
L'échange de chaleur effectué au cours de l'étape e) est alors effectué
avec un écart de température du côté le plus froid de l'échangeur de préférence inférieur à 5K et un écart de température du côté le plus chaud de l'échangeur de préférence inférieur à 10K.
II est également possible, dans le cadre de l'invention, d'effectuer l'étape a) de réfrigération au moyen d'un cycle extérieur opérant avec un mélange de réfrigérants. Le principe de fonctionnement du procédé dans ce cas est illustré, par exemple sur la figure 5.
La première étape de réfrigération du gaz naturel est alors réalisée dans l'échangeur E2, tel qu'un échangeur à plaques, non par un échange thermique avec une fraction gazeuse réfrigérée par détente comme il est décrit précédemment, mais avec un mélange de réfrigérants qui se vaporise dans l'échangeur E2.
Le mélange de réfrigérants provient du cycle A comportant, par exemple, un ensemble de conduites, de compresseurs, d'échangeurs et de vannes tel que décrit ci-après.
Le mélange de réfrigérants est vaporisé à deux niveaux de pressïon qui peuvent être successifs pour élargir l'intervalle de température pour lequel s'effectue la réfrigération.
Ce mélange est, par exemple, introduit dans l'échangeur E2 par un conduit 27 qui se sépare en deux conduits 27a et 27b. Une première partie du mélange de réfrigérants en phase liquide est d'abord évacué par un conduit 23 prolongeant le conduit 27a de l'échangeur E2 vers une première vanne V20 de détente, dans laquelle il est vaporisé, par exemple, à une température comprise entre 238 et 303K, repasse par l'échangeur E2 et ressort sous forme gazeuse ou vapeur pour être envoyé à un compresseur K6 par un conduit 24.

~~.~6~49 WO 95!18345 PCT/FR94/01535 Une seconde partie du mélange passe par le sous conduit 27b, puis est évacué de l'échangeur E2 vers une vanne V30 située sur un conduit 25 prolongeant le sous conduit 27b. Le mélange est détendu par la vanne V30 jusqu'à une pression proche de la pression atmosphérique et ' S vaporisé, par exemple, à une température comprise entre 173 et 238K. La phase vapeur ainsi obtenue est envoyée de l'échangeur E2 vers l'entrée d'un compresseur K5, puis refroidit dans un échangeur C5 situé après le compresseur K5 et mélangée avec la fraction vapeur arrivant par le conduit 24. Le mélange en phase vapeur ainsi obtenu est ensuite comprimé dans le compresseur K6, refroidi et condensé par passage dans un échangeur C6 avant d'être envoyé par le conduit 27 dans l'échangeur E2, où il est sous-refroidi avant d'âtre détendu et vaporisé.
Le gaz naturel arrive par le conduit 7 et sort refroidi de l'échangeur E2 par un conduit 11, il possède en sortie d'échangeur E2 une température voisine, par exemple, de 178K sous forme de mélange. La majeure partie de ce mélange passe à travers une turbine T3 dans laquelle il est détendu et d'où il ressort sous forme d'un mélange liquide-vapeur qui est ensuite envoyé par un conduit 12 à la base d'un contacteur S1.
L'autre partie du gaz naturel.ayant traversé la turbine T3 passe directement de l'échangeur E2 vers un échangeur à plaques E3 par un conduit 14 dans lequel elle est refroidie par exemple par échange avec la fraction en phase vapeur provenant du contacteur S1 par un conduit 13, jusqu'à une température proche de la température finale du gaz naturel liquéfié produit.
La fraction gazeuse refroidie dans l'échangeur E3 sort de cet échangeur par un conduit 15 et détendue à travers une vanne de détente V4. La fraction liquide obtenue par détente est envoyée en tête du contacteur S1.
A l'intérieur du contacteur S1, cette phase liquide s'appauvrit en azote, alors que la fraction en phase vapeur introduite en bas du contacteur S1 remonte dans le contacteur, s'enrichit en azote. La fraction en phase vapeur qui sort du contacteur S1 est ainsi chargée en azote, ce qui permet d'évacuer ainsi la majeure partie de l'azote contenue initialement dans le gaz naturel.
La fraction gazeuse riche en azote passe dans l'échangeur E3, puis par l'intermédiaire du conduit 18 dans l'échangeur E2 d'où elle ressort par un conduit 19.

WO 95/18345 ~ ~ ~ 2o PCT/FR94/01535 Le gaz naturel liquéfié résultant de la fraction liquide appauvrie en azote est extrait dans la partie inférieure du contacteur S1.
Le contacteur S1 peut être constitué par exemple par une colonne à
plateaux ou une colonne à garnissage. Dans le cas d'une colonne à , garnissage, le garnissage peut ëtre avantageusement de type "structuré".
Différentes modifications du schéma présenté sur la figure 5 à titre d'exemple de réalisation peuvent être considérées en restant dans le cadre de l'invention.
II est notamment possible au cours de l'étape de réfrigération réalisée dans l'échangeur E2 de modifier le nombre de niveaux de pression auxquels le mélange en phase liquide est détendu. Dans le schéma représenté sur la figure 5, ce nombre est de deux, mais i! peut être réduit à
un ou au contraire être fixé à trois ou plus. En augmentant le nombre de niveaux de pression de détente, on réduit, par exemple, la puissance de compression nécessaire, mais on augmente la complexité de l'installation.
Le choix du nombre de niveaux de pression de détente résulte par conséquent d'une optimisation technicoéconomique.
Les vannes de détente V20, V30 ét V4 peuvent être remplacées en totalité ou en partie par des turbines de détente motrices.
Les échangeurs E2 et E3 peuvent être réalisés avec des matériaux et/ou des modes d'assemblages différents. II est également possible de réaliser l'ensemble des échanges thermiques dans un échangeur à
plaque unique.
Les compresseurs K5 et K6 peuvent comporter chacun une série d'étages. Entre deux étages successifs, il est possible de prévoir une étape de refroidissement intermédiaire.
La fraction gazeuse à basse pression évacuée par le conduit 19 peut être au moins en partie recompriméè et recyclée. II est clair toutefois que si Ia fraction gazeuse ainsi obtenue peut être utilisëe à basse pression, sans étre recyclée, il est possible de réduire sensiblement les coûts d'investissement et les frais opératoires nécessaires.
Lorsque le gaz naturel contient de l'azote, il est avantageux de recycler une fraction gazeuse relativement pauvre en azote et d'évacuer une fraction gazeuse relativement riche en azote. On peut dans ce cas opérer, par exemple, selon le schéma représenté sur la figure 6.
Dans la disposition schématisée sur la figure 6, le gaz naturel sortant de l'échangeur E2 par le conduit 11 subit une première détente dans la turbine T31. A la sortie de la turbine T31, Une fraction liquide est recueillie par un ballon B3 puis évacuée par le concuit 42 situé de préférence dans la partie inférieure de ce ballon vers une turbine T32 où il subit une . deuxième détente. On recueille également dans la partie supérieure du ballon une fraction gazeuse relativement riche en azote envoyée par un conduit 40 dans une turbine T4 où elle est détendue avant d'être envoyée dans le contacteur S1, de préférence dans sa partie inférieure. A la sortie de la turbine T32, le mélange détendu obtenu est évacué par un conduit 43 et séparé dans un ballon B4 en une fraction liquide appauvrie en azote qui est évacuée par un conduit 45 situé dans la partie inférieure du ballon B, de préférence, et qui constitue une partie du gaz naturel liquéfié produit et une fraction gazeuse prélevée en partie supérieure du ballon relativement pauvre en azote envoyée par un conduit 44 à l'échangeur E3, puis par le conduit 18 à l'échangeur E2 d'où elle ressort par le conduit 19.
Le conduit 19 est relié à un compresseur K3 qui recomprime, par exemple, ladite fraction gazeuse relativement pauvre en azote avant son passage dans un échangeur C3 où elle est refroidie avec le fluide de refroidissement, qui peut être de l'eau ou de l'air. Le compresseur K3 comporte, de préférence, plusieurs étages de compression entre lesquels sont placés par exemple des étages de refroidissement.
Le gaz naturel sous pression sortant de l'échangeur E3 par le conduit 15 est, par exemple, détendu dans une vanne de détente V11 avant d'ëtre envoyé en tête du contacteur S1.
La fraction gazeuse enrichie en azote par son passage ascendant au contact de la phase liquide dans le contacteur S1, sort du contacteur par un conduit 46, est envoyée dans un échangeur E4 d'où elle peut être partiellement recyclée par le conduit 51. La fraction non recyclée est évacuée par le conduit 49. Par le conduit 47 arrive dans l'échangeur E4 une fraction du gaz naturel sous pression qui est refroidie dans l'échangeur E4 et ressort par le conduit 48 à une température proche de la température finale du GNL produit. Ladite fraction est alors détendue à
travers la vanne V10 et envoyée en tête du contacteur S1.
A la base du contacteur S1, on recueille une fraction liquide qui est mélangée avec la fraction liquide arrivant par le conduit 45 pour former le gaz naturel liquéfié produit, qui est évacué par le conduit 50.

WO 95/18345 22 PCT/FR94/01535 ~ ' _ ~~.â6249 On peut sans sortir de l'invention utiliser à la place d'une turbine un autre équipement permettant de réaliser une détente avec fourniture d'énergie mécanique.
Bien entendu, diverses modifications et/ou adjonctions peuvent être apportées par l'homme de métier à la méthode et au dispositif dont la description vient d'être donnée à titre nullement limitatif, sans sortir du _ cadre de l'invention.

Claims (25)

REVENDICATIONS
1. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel, comportant en combinaison les étapes suivantes:
a) on refroidit le gaz naturel à une pression au moins supérieure ou égale à la pression critique du méthane et à une température telle que ledit gaz naturel se présente en phase dense à l'issue de cette étape de refroidissement, et on mélange ledit gaz alternativement avec une fraction gazeuse recyclée, a') on sépare le gaz naturel refroidi en phase dense en deux fractions, une première fraction majoritaire et une deuxième fraction restante, b) on détend et on liquéfie la première fraction majoritaire provenant de l'étape a) à travers un dispositif (T3) adapté à diminuer la pression du gaz naturel selon une détente avec fourniture d'énergie mécanique, de façon à
obtenir à l'issue de cette étape b) une fraction liquide et une fraction gazeuse, c) on sépare (B1) la fraction liquide et la fraction gazeuse obtenues au cours de l'étape b), d) la fraction gazeuse résultant de l'étape c) est échangée thermiquement (E3) avec la deuxième fraction restante non détendue du gaz naturel, ladite fraction non défendue et refroidie à l'issue de cette opération est détendue à travers un dispositif de détente (T4) en formant un mélange liquide-vapeur qui est séparé (B1) en une fraction liquide et une fraction gazeuse, e) on réunit les fractions liquides provenant des étapes c) et d) pour former le gaz naturel liquéfié, et f) les fractions gazeuses provenant des étapes c) et d) à l'étape a) sont au moins en partie recomprimées et recyclées, formant ainsi ladite fraction de gaz recyclée à l'étape a) et les fractions non recyclées sont évacuées.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première fraction majoritaire détendue est supérieure aux deux tiers du gaz naturel en phase dense issu de l'étape a).
3. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon la revendication 2, caractérisé en ce que, la détente sur la phase liquide obtenue au cours de l'étape b) étant poursuivie jusqu'à l'apparition d'une fraction gazeuse, l'on procède aux étapes suivantes:
- on sépare la fraction liquide et la fraction gazeuse au cours de l'étape c), - la fraction gazeuse résultant de l'étape c) est échangée thermiquement avec une fraction non détendue du gaz naturel au cours de l'étape d), ladite fraction non détendue étant détendue à l'issue de cette opération d'échange thermique au cours de l'étape e) en format un mélange liquide-vapeur qui est séparé en une fraction liquide et une fraction gazeuse, - on réunit les fractions liquides provenant des étapes c) et e) pour former le gaz naturel liquéfié, et - on recomprime et on recycle au moins en partie les fractions gazeuses provenant des étapes c) et e) à l'étape a).
4. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une quelconque des revendications 2 à 3, caractérisé en ce que l'on utilise une turbine comme dispositif pour détendre le gaz naturel de l'état en phase dense vers l'état en phase liquide.
5. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'au cours de l'étape a), on refroidit le gaz naturel par échange thermique en utilisant une fraction gazeuse provenant dudit gaz naturel, ladite fraction gazeuse étant détendue dans une turbine, ladite fraction gazeuse détendue étant au moins en partie recomprimée dans un étage de compression et recyclée.
6. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'on comprime au moins une fraction gazeuse recyclée en mettant en oeuvre au moins deux étages, le gaz étant refroidi à la sortie de chacun des étages de compression par un milieu ambiant de réfrigération disponible.
7. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'au cours de l'étape a), on refroidit le gaz naturel par vaporisation d'un mélange de réfrigérants.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le mélange de réfrigérants est détenu et vaporisé à au moins deux niveaux différents de pression.
9. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que le gaz naturel comporte des hydrocarbures lourds, on sépare les hydrocarbures les plus lourds contenus dans le gaz naturel à liquéfier au moyen d'une étape d'absorption préalablement à l'étape a).
10. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que l'on réalise l'étape a) à une pression supérieure à la pression critique du mélange formant le gaz naturel.
11. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'on réalise l'étape a) à une pression supérieure au cricondenbar du gaz à liquéfier.
12. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon la revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que l'on réalise l'étape a) à une pression comprise entre 7 et 20 MPa.
13. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que la température du gaz naturel à
l'issue de l'étape a) est comprise entre 165K et 230K.
14. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fraction gazeuse obtenue à l'issue de l'étape b) est supérieure ou égale à 20%.
15. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que le gaz naturel comportant des hydrocarbures plus lourds que le méthane, on sépare ces hydrocarbures au moins en partie au cours d'une étape préliminaire opérée à une pression inférieure à la pression de l'étape a).
16. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une des revendications 2 à 10 et 13 à 15, caractérisé en ce que l'on refroidit le gaz naturel au cours de l'étape a) jusqu'à une température telle qu'après détente une fraction liquide concentrée en hydrocarbures plus lourds que le méthane est produite, ladite fraction liquide étant alors séparée.
17. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une quelconque des revendications 2 à 10 et 13, caractérisé en ce que l'étape b) est réalisée par détente dans une turbine dont au moins un des éléments est réalisé en un matériau peu conducteur de la chaleur.
18. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon la revendication 17, caractérisé en ce que le rotor de la turbine est réalisé en matériau composite peu conducteur de la chaleur.
19. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une quelconque des revendications 2 à 10 et 13 et 17, caractérisé en ce que les échanges de chaleur au cours des étapes a) et d) sont réalisés dans des échangeurs opérant à contre-courant.
20. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une quelconque des revendications 2 à 10 et 13 et 17, caractérisé en ce que l'on effectue l'échange thermique de l'étape d) en faisant passer le gaz naturel dans un échangeur présentant un écart de température du côté le plus froid de l'échangeur inférieur à 5K et un écart de température du côté le plus chaud de l'échangeur inférieur à
10K.
21. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une quelconque des revendications 2 à 10 et 13 et 17, caractérisé en ce que l'on réalise la détente au cours de l'étape b) au moyen d'au moins deux turbines successives, le mélange liquide-vapeur provenant de la première détente partielle étant séparé, en une fraction gazeuse et une fraction liquide, ladite fraction gazeuse étant envoyée pour réaliser l'étape d) et ladite fraction liquide résultante étant détendue dans la deuxième turbine, la fraction liquide à l'issue de cette deuxième détente formant une partie du gaz naturel liquéfié produit par le procédé.
22. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une quelconque des revendications 2 à 10 et 13 et 17, caractérisé en ce que, au moins une partie de la fraction gazeuse provenant de l'étape b) est mise en contact à contre-courant avec la fraction liquide provenant de l'étape e), la fraction liquide résultante étant réunie avec la fraction liquide provenant de l'étape b) pour former le gaz naturel liquéfié et la fraction gazeuse résultante étant réunie avec la fraction gazeuse provenant de l'étape e) ;pour former au moins en partie une faction gazeuse riche en azote qui est évacuée.
23. Appareil pour la liquéfaction d'un gaz naturel selon le procédé présentant les caractéristiques selon l'une quelconque des revendications 1 à 22, comportant un conduit d'arrivée du gaz naturel, lesdits conduits étant reliés à un dispositif (E2) permettant de refroidir le gaz naturel, un conduit permettant le passage d'un fluide de réfrigération, à l'intérieur du dispositif (E2), un conduit de sortie relié au dispositif (E2) du gaz naturel refroidi et se présentant sous forme de phase dense, un circuit de compression et de condensation (K3, C3, ...), caractérisé en ce que le conduit de sortie est séparé en un premier et deuxième sous conduits, ledit premier sous conduit étant relié à un premier dispositif de détente (T3), ledit second sous conduit étant relié directement à un dispositif de réfrigération (E3), comportant un conduit de sortie de la fraction de gaz naturel réfrigérée, ledit conduit de sortie de la fraction de gaz naturel réfrigéré
étant relié
à un second dispositif de détente (T4), lesdits dispositifs de détente (T3, T4) étant reliés à un moyen de séparation (B1) des fractions de gaz naturels détendus et issus des dispositifs de détente (T3, T4) par des conduits respectivement, ledit moyen de séparation (B1) étant pourvu d'au moins un conduit d'évacuation de la phase vapeur et d'au moins un conduit d'évacuation du gaz naturel liquéfié.
24. Appareil de liquéfaction d'un gaz naturel selon la revendication 23, caractérisé en ce que lesdits dispositifs de détente sont constitués d'au moins une turbine de détente dont au moins une des éléments est réalisé en un matériau peu conducteur de la chaleur.
25. Appareil de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une quelconque des revendications 23 et 24, caractérisé en ce que le conduit d'arrivée du gaz naturel est un conduit d'un gaz recyclé.
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