CA2269147C - Procede et dispositif de liquefaction d'un gaz naturel sans separation de phases sur les melanges refrigerants - Google Patents
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Abstract
Le procédé permet de liquéfier un mélange gazeux tel qu'un gaz naturel en utilisant un premier mélange de réfrigérant M1, comprimé, au moins partiellement condensé par refroidissement à l'aide d'un fluide externe de refroidissement, puis sous refroidi, détendu et vaporisé, et un deuxième mélange réfrigérant comprimé, refroidi à l'aide d'un fluide externe de refroidissement, puis refroidi par échange de chaleur avec le premier mélange réfrigérant M1 au cours de la première étape de réfrigération, à l'issue de laquelle il se trouve dans un état au moins partiellement condensé. Le deuxième mélange partiellement condensé est envoyé sans séparation de phases vers la deuxième étape de réfrigération où il est condensé totalement, détendu et vaporisé à au moins deux niveaux de pression. Le gaz naturel sous-refroidi est détendu pour former le GNL produit.
Description
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PROCEDE ET DISPOSITIF DE LIQUEFACTION D'UN GAZ NATUREL SANS SEPARATION DE
PHASES SUR LES MELANGES REFRIGERANTS
La présente invention concerne un procédé et un dispositif permettant de liquéfier un fluide ou un mélange gazeux formé au moins en partie d'un mélange d'hydrocarbures, par exemple un gaz naturel.
Le gaz naturel est couramment produit en des sites éloignés des lieux d'utilisation et il. est courant de le liquéfier afin de le transporter sur de longues distances par méthanier ou encore de le stocker sous forme liquide.
Les procédés utilisés et divulgués dans l'art antérieur, notamment dans les brevets US-3.735.600 et US-3.433.026, décrivent des procédés de liquéfaction comportant principalemént une première étape au cours de laquelle le gaz naturel est prérefroidi par vaporisation d'un mélange réfrigérant, et une seconde étape qui permet de réaliser l'ppération finale de liquéfaction du gaz naturel, et d'obtenir le gaz liquéfié sous forme susceptible d'être transportée ou stockée; la réfrigération au cours de cette seconde étape étant également assurée par vaporisation d'un mélange réfrigérânt.
Dans de tels procédés, un mélange de fluides; utilisé comme fluide réfrigérant dans le cycle de réfrigération externe, est vaporisé, comprimé, refroidi en échangeant de la chaleur avec un milieu ambiant tel que de l'eau ou de l'air condensé, détendu et recyclé.
Le mélange réfrigérant utilisé dans le second étage dans lequel est assurée la seconde étape de réfrigération est refroidi par échange de chaleur avec le milieu ambiant de refroidissement, eau ou air, puis le premier étage dans lequel est assurée la première étape de réfrigération.
A l'issue 'du premier étage, le mélange réfrigérant se présente sous la forme d'un fluide diphasique comportant une phase vapeur et une phase liquide. Lesdites phases sont séparées, par
PROCEDE ET DISPOSITIF DE LIQUEFACTION D'UN GAZ NATUREL SANS SEPARATION DE
PHASES SUR LES MELANGES REFRIGERANTS
La présente invention concerne un procédé et un dispositif permettant de liquéfier un fluide ou un mélange gazeux formé au moins en partie d'un mélange d'hydrocarbures, par exemple un gaz naturel.
Le gaz naturel est couramment produit en des sites éloignés des lieux d'utilisation et il. est courant de le liquéfier afin de le transporter sur de longues distances par méthanier ou encore de le stocker sous forme liquide.
Les procédés utilisés et divulgués dans l'art antérieur, notamment dans les brevets US-3.735.600 et US-3.433.026, décrivent des procédés de liquéfaction comportant principalemént une première étape au cours de laquelle le gaz naturel est prérefroidi par vaporisation d'un mélange réfrigérant, et une seconde étape qui permet de réaliser l'ppération finale de liquéfaction du gaz naturel, et d'obtenir le gaz liquéfié sous forme susceptible d'être transportée ou stockée; la réfrigération au cours de cette seconde étape étant également assurée par vaporisation d'un mélange réfrigérânt.
Dans de tels procédés, un mélange de fluides; utilisé comme fluide réfrigérant dans le cycle de réfrigération externe, est vaporisé, comprimé, refroidi en échangeant de la chaleur avec un milieu ambiant tel que de l'eau ou de l'air condensé, détendu et recyclé.
Le mélange réfrigérant utilisé dans le second étage dans lequel est assurée la seconde étape de réfrigération est refroidi par échange de chaleur avec le milieu ambiant de refroidissement, eau ou air, puis le premier étage dans lequel est assurée la première étape de réfrigération.
A l'issue 'du premier étage, le mélange réfrigérant se présente sous la forme d'un fluide diphasique comportant une phase vapeur et une phase liquide. Lesdites phases sont séparées, par
2 exemple dans un ballon séparateur, et envoyées, par exemple, dans un échangeur bobiné, dans lequel la fraction vapeur est condensée, tandis que le gaz naturel est liquéfié sous pression, la réfrigération étant assurée par vaporisation de la fraction liquide de mélange réfrigérant. La fraction liquide obtenue par condensation de la fraction vapeur est sous-refroidie, détendue et vaporisée pour assurer la liquéfaction finale du gaz naturel, qui est sous-refroidi avant d'être détendu à travers une vanne ou une turbine pour produire le Gaz Naturel Liquéfié (GNL) recherché.
La présence d'une phase vapeur nécessite une opération de condensation sur le mélange réfrigérant au niveau du second étage qui demande un dispositif relativement complexe et coùteux.
Il a également été proposé dans le brevet du demandeur FR. 2.743.140 d'opérer dans des conditions de pression et de températures choisies pour obtenir à la sortie du premier étage de réfrigération un mélange réfrigérant entièrement monophasique condensé.
Ceci induit des contraintes, qui peuvent être pénalisantes pour l'économie du procédé, notamment du fait que la pression à laquelle le mélange réfrigérant utilisé
dans le deuxième étage est comprimé, peut être relativement élevé.
La présente invention concerne un procédé et son dispositif de mise en ceuvre palliant les inconvénients précités de l'art antérieur.
La présente invention concerne un procédé permettant de liquéfier un gaz naturel .
II est caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison au moins les étapes suivantes :
a) on refroidit ledit gaz naturel au cours d'une première étape de réfrigération jusqu'à une température inférieure à - 30 C à l'aide d'un premier cycle de réfrigération opérant à l'aide d'un premier mélange de réfrigérant M, ledit premier mélange réfrigérant étant comprimé, au moins partiellement condensé par refroidissement à l'aide d'un fluide externe de refroidissement, pré-refroidit, puis sous refroidi, débay-b àau rrnins d2Lx nivk-ix de pre,ssirn et vcpcrisé.
La présence d'une phase vapeur nécessite une opération de condensation sur le mélange réfrigérant au niveau du second étage qui demande un dispositif relativement complexe et coùteux.
Il a également été proposé dans le brevet du demandeur FR. 2.743.140 d'opérer dans des conditions de pression et de températures choisies pour obtenir à la sortie du premier étage de réfrigération un mélange réfrigérant entièrement monophasique condensé.
Ceci induit des contraintes, qui peuvent être pénalisantes pour l'économie du procédé, notamment du fait que la pression à laquelle le mélange réfrigérant utilisé
dans le deuxième étage est comprimé, peut être relativement élevé.
La présente invention concerne un procédé et son dispositif de mise en ceuvre palliant les inconvénients précités de l'art antérieur.
La présente invention concerne un procédé permettant de liquéfier un gaz naturel .
II est caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison au moins les étapes suivantes :
a) on refroidit ledit gaz naturel au cours d'une première étape de réfrigération jusqu'à une température inférieure à - 30 C à l'aide d'un premier cycle de réfrigération opérant à l'aide d'un premier mélange de réfrigérant M, ledit premier mélange réfrigérant étant comprimé, au moins partiellement condensé par refroidissement à l'aide d'un fluide externe de refroidissement, pré-refroidit, puis sous refroidi, débay-b àau rrnins d2Lx nivk-ix de pre,ssirn et vcpcrisé.
3 b) on condense ledit gaz naturel issu de l'étape a) et on le sous-refroidit au cours d'une deuxième étape de réfrigération à l'aide d'un deuxième cycle de réfrigération opérant à
l'aide d'un deuxième mélange réfrigérant MZ, ledit deuxième mélange réfrigérant étant comprimé, refroidi à
l'aide d'un fluide externe de refroidissement, puis refroidi par échange de chaleur avec le premier mélange réfrigérant M, au cours de la première étape de réfrigération, à
l'issue de laquelle il se trouve dans un état au moins partiellement condensé, ledit deuxième mélange partiellement condensé est envoyé sans séparation de phases vers la deuxième étape de réfrigération où il est condensé totalement, détendu et vaporisé à au moins deux niveaux de pression, et c) on détend ledit gaz naturel sous-refroidi issu de l'étape b) pour former le GNL produit.
Le premier mélange de réfrigérant est par exemple détendu à au moins deux niveaux de pression.
Le premier mélange M, peut comprendre au moins de l'éthane, du propane et du butane.
Le deuxième mélange MZ comprend, par exemple au moins du méthane, de l'éthane et de l'azote, et sa masse molaire peut être comprise entre 22 et 27.
On peut utiliser comme fluide externe de refroidissement un fluide ambiant disponible, tel que de l'air, de l'eau douce ou de l'eau de mer.
On réalise par exemple la première étape de réfrigération et la deuxième étape de réfrigération dans une même ligne d'échange comportant un ou plusieurs échangeurs à plaques montés en parallèle.
On choisit par exemple la température Tc de manière à équilibrer les puissances de compression sur les deux cycles de réfrigération assurant les étapes de réfrigération et, chacun desdits cycles comportant un système de compression entraîné par une turbine à
gaz identique.
l'aide d'un deuxième mélange réfrigérant MZ, ledit deuxième mélange réfrigérant étant comprimé, refroidi à
l'aide d'un fluide externe de refroidissement, puis refroidi par échange de chaleur avec le premier mélange réfrigérant M, au cours de la première étape de réfrigération, à
l'issue de laquelle il se trouve dans un état au moins partiellement condensé, ledit deuxième mélange partiellement condensé est envoyé sans séparation de phases vers la deuxième étape de réfrigération où il est condensé totalement, détendu et vaporisé à au moins deux niveaux de pression, et c) on détend ledit gaz naturel sous-refroidi issu de l'étape b) pour former le GNL produit.
Le premier mélange de réfrigérant est par exemple détendu à au moins deux niveaux de pression.
Le premier mélange M, peut comprendre au moins de l'éthane, du propane et du butane.
Le deuxième mélange MZ comprend, par exemple au moins du méthane, de l'éthane et de l'azote, et sa masse molaire peut être comprise entre 22 et 27.
On peut utiliser comme fluide externe de refroidissement un fluide ambiant disponible, tel que de l'air, de l'eau douce ou de l'eau de mer.
On réalise par exemple la première étape de réfrigération et la deuxième étape de réfrigération dans une même ligne d'échange comportant un ou plusieurs échangeurs à plaques montés en parallèle.
On choisit par exemple la température Tc de manière à équilibrer les puissances de compression sur les deux cycles de réfrigération assurant les étapes de réfrigération et, chacun desdits cycles comportant un système de compression entraîné par une turbine à
gaz identique.
4 On comprime le deuxième mélange M, à une pression comprise, par exemple, entre 3 et 7 MPa.
On vaporise le deuxième mélange MZ à un premier niveau de pression étant compris, par exemple, entre 0,1 et 0,3 MPa et à un deuxième niveau de pression compris, par exemple, entre 0,3 et 1 MPa.
Au cours de la deuxième étape de réfrigération, on peut séparer le deuxième mélange réfrigérant Mz en au moins deux fractions, détendre lesdites fractions à des niveaux de pression différents et réaliser un échange simultané de chaleur entre au moins le flux de gaz naturel, le deuxième mélange M, sous pression circulant dans un même sens et lesdites fractions du mélange détendues à des niveaux de pression différents circulant en sens opposé.
On réalise, par exemple, la deuxième étape de réfrigération en au moins une première section (Eõ) et une deuxième section (E42) successives, où
= on sépare une première fraction F, du mélange réfrigérant MZ, et = on sous-refroidit ladite première fraction F, jusqu'à une température proche de sa température de bulle à un premier niveau de pression de détente, en détendant ladite première fraction à un niveau de pression de détente P, et on vaporise ladite première fraction de détente sous-détendue pour assurer au moins en partie la réfrigération de ladite première section, et = on poursuit le sous refroidissement de la deuxième fraction F2 du mélange MZ
restante jusqu'à
une température proche de sa température de bulle à un deuxième niveau de pression de détente PZ et en vaporisant ladite deuxième fraction pour assurer au moins en partie la réfrigération de la deuxième section.
La fraction molaire condensée du deuxième mélange M2 en sortie de la première étape de réfrigération est par exemple au moins égale à 90 %.
Le rapport molaire du débit total de mélange de réfrigérant MZ au débit de gaz naturel est par exemple inférieur à 1.
La température Tc est choisie, par exemple, dans l'intervalle [- 40 et - 70 C].
L'invention concerne aussi un dispositif pour liquéfier un gaz naturel. Il est caractérisé en ce qu'il comporte :
On vaporise le deuxième mélange MZ à un premier niveau de pression étant compris, par exemple, entre 0,1 et 0,3 MPa et à un deuxième niveau de pression compris, par exemple, entre 0,3 et 1 MPa.
Au cours de la deuxième étape de réfrigération, on peut séparer le deuxième mélange réfrigérant Mz en au moins deux fractions, détendre lesdites fractions à des niveaux de pression différents et réaliser un échange simultané de chaleur entre au moins le flux de gaz naturel, le deuxième mélange M, sous pression circulant dans un même sens et lesdites fractions du mélange détendues à des niveaux de pression différents circulant en sens opposé.
On réalise, par exemple, la deuxième étape de réfrigération en au moins une première section (Eõ) et une deuxième section (E42) successives, où
= on sépare une première fraction F, du mélange réfrigérant MZ, et = on sous-refroidit ladite première fraction F, jusqu'à une température proche de sa température de bulle à un premier niveau de pression de détente, en détendant ladite première fraction à un niveau de pression de détente P, et on vaporise ladite première fraction de détente sous-détendue pour assurer au moins en partie la réfrigération de ladite première section, et = on poursuit le sous refroidissement de la deuxième fraction F2 du mélange MZ
restante jusqu'à
une température proche de sa température de bulle à un deuxième niveau de pression de détente PZ et en vaporisant ladite deuxième fraction pour assurer au moins en partie la réfrigération de la deuxième section.
La fraction molaire condensée du deuxième mélange M2 en sortie de la première étape de réfrigération est par exemple au moins égale à 90 %.
Le rapport molaire du débit total de mélange de réfrigérant MZ au débit de gaz naturel est par exemple inférieur à 1.
La température Tc est choisie, par exemple, dans l'intervalle [- 40 et - 70 C].
L'invention concerne aussi un dispositif pour liquéfier un gaz naturel. Il est caractérisé en ce qu'il comporte :
5 = une première zone de réfrigération adaptée pour opérer dans des conditions de température jusqu'à au moins - 30 C, et obtenir en sortie un mélange réfrigérant MZ au moins partiellement condensé utilisé dans une deuxième zone de réfrigération, et ledit gaz naturel sous-refroidi jusqu'à au moins - 30 C, ladite première zone comportant un premier circuit de préréfrigération à
l'aide d'un premier mélange de réfrigérant M,, = une deuxième zone de réfrigération adaptée pour opérer à une température T
au moins inférieure à - 140 C, à l'issue de laquelle ledit gaz naturel issu de la première zone de réfrigération est réfrigéré jusqu'à une température inférieure à - 140 C par vaporisation dudit mélange réfrigérant MZ issu de ladite première zone et envoyé sans séparation de phase vers la deuxième zone de réfrigération , = des moyens de détente dudit gaz naturel issu de la deuxième zone de réfrigération, = des moyens de détente et des moyens de compression desdits premiers et deuxième mélange de réfrigérant.
La deuxième zone de réfrigération est constituée, par exemple, d'une ligne d'échange unique, comportant quatre passes indépendantes (L,, L2, L3 et L, ) permettant le passage du gaz naturel sous-refroidi et du mélange de réfrigérant MZ; et des fractions dudit mélange de réfrigérant M2 après détente.
Selon une autre variante de réalisation la deuxième zone de réfrigération peut comporter une section d'échange (E,) comprenant au moins deux sections successives (E,,, E12) et quatre lignes d'échange (L,, L2, L, et L4 ).
l'aide d'un premier mélange de réfrigérant M,, = une deuxième zone de réfrigération adaptée pour opérer à une température T
au moins inférieure à - 140 C, à l'issue de laquelle ledit gaz naturel issu de la première zone de réfrigération est réfrigéré jusqu'à une température inférieure à - 140 C par vaporisation dudit mélange réfrigérant MZ issu de ladite première zone et envoyé sans séparation de phase vers la deuxième zone de réfrigération , = des moyens de détente dudit gaz naturel issu de la deuxième zone de réfrigération, = des moyens de détente et des moyens de compression desdits premiers et deuxième mélange de réfrigérant.
La deuxième zone de réfrigération est constituée, par exemple, d'une ligne d'échange unique, comportant quatre passes indépendantes (L,, L2, L3 et L, ) permettant le passage du gaz naturel sous-refroidi et du mélange de réfrigérant MZ; et des fractions dudit mélange de réfrigérant M2 après détente.
Selon une autre variante de réalisation la deuxième zone de réfrigération peut comporter une section d'échange (E,) comprenant au moins deux sections successives (E,,, E12) et quatre lignes d'échange (L,, L2, L, et L4 ).
6 La première et la deuxième zone de réfrigération sont, par exemple, intégrées dans une ligne d'échange unique.
La première zone et la deuxième zone de réfrigération comportent, par exemple, des systèmes de compression entraînés chacun par une turbine à gaz.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description donnée ci-après à titre d'exemples de réalisation, dans le cadre d'applications nullement limitatives à la liquéfaction du gaz naturel, en se référant aux dessins annexés où :
= la figure 1 schématise un exemple de cycle de liquéfaction tel que décrit et utilisé dans l'art antérieur, = la figure 2 montre une variante de mise en oruvre du procédé selon l'invention, et la figure 2A
une autre variante du second étage de réfrigération, = la figure 3 schématise un schéma d'échangeur possible pour la deuxième étape de réfrigération, et = la figure 4 illustre une variante où les deux étapes de réfrigération sont réalisées dans une ligne d'échange unique.
La figure 1 représente un schéma de principe d'un procédé de liquéfaction du gaz naturel utilisé dans l'art antérieur.
Le procédé comporte un premier étage de réfrigération du gaz naturel en sortie duquel, la température du gaz naturel et celle du mélange réfrigérant utilisé se trouvent sensiblement à - 30 oc.
Le mélange réfrigérant utilisé dans le second étage de réfrigération, se présente à la sortie du premier étage, sous la forme d'un fluide diphasique comportant une phase vapeur et une phase liquide, lesdites phases étant séparées à l'aide d'un dispositif représenté
sur la figure par un ballon
La première zone et la deuxième zone de réfrigération comportent, par exemple, des systèmes de compression entraînés chacun par une turbine à gaz.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description donnée ci-après à titre d'exemples de réalisation, dans le cadre d'applications nullement limitatives à la liquéfaction du gaz naturel, en se référant aux dessins annexés où :
= la figure 1 schématise un exemple de cycle de liquéfaction tel que décrit et utilisé dans l'art antérieur, = la figure 2 montre une variante de mise en oruvre du procédé selon l'invention, et la figure 2A
une autre variante du second étage de réfrigération, = la figure 3 schématise un schéma d'échangeur possible pour la deuxième étape de réfrigération, et = la figure 4 illustre une variante où les deux étapes de réfrigération sont réalisées dans une ligne d'échange unique.
La figure 1 représente un schéma de principe d'un procédé de liquéfaction du gaz naturel utilisé dans l'art antérieur.
Le procédé comporte un premier étage de réfrigération du gaz naturel en sortie duquel, la température du gaz naturel et celle du mélange réfrigérant utilisé se trouvent sensiblement à - 30 oc.
Le mélange réfrigérant utilisé dans le second étage de réfrigération, se présente à la sortie du premier étage, sous la forme d'un fluide diphasique comportant une phase vapeur et une phase liquide, lesdites phases étant séparées à l'aide d'un dispositif représenté
sur la figure par un ballon
7 de séparation. Ces deux phases sont envoyées dans un échangeur bobiné
permettant de réaliser le refroidissement final du gaz naturel prérefroidi au cours de la première étape. Pour cela, la phase vapeur issue du ballon séparateur est condensée en utilisant la fraction liquide comme fluide de réfrigération, puis sous-refroidie et vaporisée afin d'assurer la réfrigération et la liquéfaction du gaz naturel.
Principe du procédé selon l'invention Il a été découvert qu'il est possible de liquéfier un gaz naturel en deux étapes de réfrigération et, chacune des étapes opérant à l'aide d'un cycle de réfrigération utilisant respectivement un premier mélange réfrigérant M, et un deuxième mélange réfrigérant Mz, chacun de ces mélanges réfrigérants étant vaporisé à au moins deux niveaux de pression pour assurer chacune des étapes de réfrigération, comprimé, condensé puis détendu, sans faire intervenir de séparation de phases sur l'un des mélanges réfrigérants et en achevant au cours de la deuxième étape de réfrigération la condensation du mélange réfrigérant MZ.
II a été également découvert que les deux étapes de réfrigération et peuvent être réalisées à
l'aide d'une ligne d'échange unique comprenant un ou plusieurs échangeurs à
plaques montés en parallèle.
Par rapport à l'art antérieur, le deuxième mélange de réfrigérant M 2 est partiellement condensé à l'issue de la première étape de réfrigération, transmis sans séparation de phases vers la deuxième étape de réfrigération puis totalement condensé au cours de la deuxième étape.
Le principe de fonctionnement du procédé selon l'invention est illustré par le schéma de la figure 2 qui présente un exemple de réalisation.
permettant de réaliser le refroidissement final du gaz naturel prérefroidi au cours de la première étape. Pour cela, la phase vapeur issue du ballon séparateur est condensée en utilisant la fraction liquide comme fluide de réfrigération, puis sous-refroidie et vaporisée afin d'assurer la réfrigération et la liquéfaction du gaz naturel.
Principe du procédé selon l'invention Il a été découvert qu'il est possible de liquéfier un gaz naturel en deux étapes de réfrigération et, chacune des étapes opérant à l'aide d'un cycle de réfrigération utilisant respectivement un premier mélange réfrigérant M, et un deuxième mélange réfrigérant Mz, chacun de ces mélanges réfrigérants étant vaporisé à au moins deux niveaux de pression pour assurer chacune des étapes de réfrigération, comprimé, condensé puis détendu, sans faire intervenir de séparation de phases sur l'un des mélanges réfrigérants et en achevant au cours de la deuxième étape de réfrigération la condensation du mélange réfrigérant MZ.
II a été également découvert que les deux étapes de réfrigération et peuvent être réalisées à
l'aide d'une ligne d'échange unique comprenant un ou plusieurs échangeurs à
plaques montés en parallèle.
Par rapport à l'art antérieur, le deuxième mélange de réfrigérant M 2 est partiellement condensé à l'issue de la première étape de réfrigération, transmis sans séparation de phases vers la deuxième étape de réfrigération puis totalement condensé au cours de la deuxième étape.
Le principe de fonctionnement du procédé selon l'invention est illustré par le schéma de la figure 2 qui présente un exemple de réalisation.
8 Le gaz naturel entre dans le première étage de réfrigération par un conduit 20 et en ressort par un conduit 21 puis il est transmis dans le deuxième étage de réfrigération d'où il ressort par un conduit 22 avant d'être détendu à travers une vanne V ou une turbine pour produire le GNL.
Le premier étage de réfrigération opère à l'aide d'un premier mélange réfrigérant M,, qui est comprimé dans le compresseur K, puis condensé dans l'échangeur E22 à l'aide d'un fluide externe de refroidissement disponible. Le mélange ainsi condensé est recueilli dans un ballon D, puis envoyé par un conduit 23 au premier étage de réfrigération. Il est ensuite sous-refroidi dans une première section E, du premier étage de réfrigération. A la sortie de cette première section E,, une première fraction F, du mélange M, est détendue à travers une vanne de détente V, située sur un conduit 24, à un premier niveau de pression puis vaporisée pour assurer la réfrigération du gaz naturel et du mélange réfrigérant condensé dans ladite première section E,. La phase vapeur ainsi obtenue est recyclée par un conduit 25 à un étage intermédiaire du compresseur K, correspondant au niveau de pression du mélange vapeur ainsi obtenu. Le reste du mélange M, est sous-refroidi dans une deuxième section E2 du premier étage de réfrigération. A la sortie de cette deuxième section E2, une seconde fraction FZ du mélange M, est détendue à un deuxième niveau de pression à travers une vanne de détente Vz, disposée sur un conduit 27, puis vaporisée pour assurer la réfrigération du gaz naturel et du mélange réfrigérant dans ladite deuxième section EZ. La phase vapeur ainsi obtenue est recyclée par un conduit 28 à un étage intermédiaire du compresseur K, correspondant au niveau de pression du mélange vapeur ainsi obtenu. La dernière fraction F3 de mélange M, est sous-refroidie dans une troisième section E, du premier étage de réfrigération. A la sortie de cette section E3, cette fraction restante de mélange M, est détendue à travers une vanne de détente V, (conduit 29b) à un troisième niveau de pression, puis vaporisée pour assurer la réfrigération du gaz naturel et du mélange réfrigérant dans ladite troisième section E,. La phase vapeur ainsi obtenue est recyclée à l'entrée du compresseur K, par un conduit 30.
Le premier étage de réfrigération opère à l'aide d'un premier mélange réfrigérant M,, qui est comprimé dans le compresseur K, puis condensé dans l'échangeur E22 à l'aide d'un fluide externe de refroidissement disponible. Le mélange ainsi condensé est recueilli dans un ballon D, puis envoyé par un conduit 23 au premier étage de réfrigération. Il est ensuite sous-refroidi dans une première section E, du premier étage de réfrigération. A la sortie de cette première section E,, une première fraction F, du mélange M, est détendue à travers une vanne de détente V, située sur un conduit 24, à un premier niveau de pression puis vaporisée pour assurer la réfrigération du gaz naturel et du mélange réfrigérant condensé dans ladite première section E,. La phase vapeur ainsi obtenue est recyclée par un conduit 25 à un étage intermédiaire du compresseur K, correspondant au niveau de pression du mélange vapeur ainsi obtenu. Le reste du mélange M, est sous-refroidi dans une deuxième section E2 du premier étage de réfrigération. A la sortie de cette deuxième section E2, une seconde fraction FZ du mélange M, est détendue à un deuxième niveau de pression à travers une vanne de détente Vz, disposée sur un conduit 27, puis vaporisée pour assurer la réfrigération du gaz naturel et du mélange réfrigérant dans ladite deuxième section EZ. La phase vapeur ainsi obtenue est recyclée par un conduit 28 à un étage intermédiaire du compresseur K, correspondant au niveau de pression du mélange vapeur ainsi obtenu. La dernière fraction F3 de mélange M, est sous-refroidie dans une troisième section E, du premier étage de réfrigération. A la sortie de cette section E3, cette fraction restante de mélange M, est détendue à travers une vanne de détente V, (conduit 29b) à un troisième niveau de pression, puis vaporisée pour assurer la réfrigération du gaz naturel et du mélange réfrigérant dans ladite troisième section E,. La phase vapeur ainsi obtenue est recyclée à l'entrée du compresseur K, par un conduit 30.
9 Le nombre de sections dans le premier étage de réfrigération peut varier par exemple entre 1 et 4 et résulte d'une optimisation économique.
Il est également possible dans certains cas de ne condenser le mélange M, que partiellement dans E,,, puis d'achever sa condensation au cours de la première étape de réfrigération. Dans le principe du procédé selon l'invention, toutefois, le mélange M, circule de préférence avec une composition sensiblement constante, sans qu'il y ait de séparation de phases entre les phases liquide et vapeur qui conduirait à ce que chacune de ces phases suive un circuit différent.
Le fluide externe de refroidissement peut être un fluide ambiant disponible, tel que par exemple l'air, de l'eau douce ou de l'eau de mer.
Le mélange réfrigérant M, est ainsi, de préférence, entièrement condensé par refroidissement à l'aide du fluide ambiant de refroidissement disponible puis sous-refroidi, détendu et vaporisé à au moins deux niveaux de pression.
Le mélange M, comprend par exemple de l'éthane, du propane et du butane. Il peut comprendre également d'autres constituants, tels que, par exemple, du méthane et du pentane sans sortir du cadre du procédé selon l'invention.
Les proportions, exprimées en fraction molaire, d'éthane (CZ), de propane (C,) et de butane (C,) comprises dans le mélange réfrigérant M, se situent de préférence dans les intervalles suivants:
C2 = [30 , 70 %]
C3 = [30 , 70 %]
C4 = [0 , 20 %]
Le deuxième étage de réfrigération opère avec un deuxième mélange réfrigérant M2, qui est comprimé dans le compresseur K2, puis refroidi dans l'échangeur E24 à l'aide du fluide externe de refroidissement disponible. Le mélange M 2 est envoyé par un conduit 31 dans les sections de réfrigération du premier étage, E,, E2 et E, dans lesquelles il est refroidi et au moins partiellement condensé. Il est ensuite transmis au deuxième étage de réfrigération par un conduit 32. II est alors complètement condensé et sous-refroidi dans la section de refroidissement E4 du deuxième étage.
Le mélange réfrigérant M, passe du premier étage au deuxième étage sans séparation de phases.
Cette façon de procéder permet notamment de réaliser les deux étages de réfrigération et 5 dans une même ligne d'échange.
A la sortie de la section de réfrigération Eõ le mélange MZ extrait par un conduit 33 est séparé
en deux fractions F', et F'2 par exemple.
La première fraction F, du mélange MZ est détendue à travers une vanne de détente V.
équipant un conduit 34 à un premier niveau de pression. Elle assure ensuite une partie de la
Il est également possible dans certains cas de ne condenser le mélange M, que partiellement dans E,,, puis d'achever sa condensation au cours de la première étape de réfrigération. Dans le principe du procédé selon l'invention, toutefois, le mélange M, circule de préférence avec une composition sensiblement constante, sans qu'il y ait de séparation de phases entre les phases liquide et vapeur qui conduirait à ce que chacune de ces phases suive un circuit différent.
Le fluide externe de refroidissement peut être un fluide ambiant disponible, tel que par exemple l'air, de l'eau douce ou de l'eau de mer.
Le mélange réfrigérant M, est ainsi, de préférence, entièrement condensé par refroidissement à l'aide du fluide ambiant de refroidissement disponible puis sous-refroidi, détendu et vaporisé à au moins deux niveaux de pression.
Le mélange M, comprend par exemple de l'éthane, du propane et du butane. Il peut comprendre également d'autres constituants, tels que, par exemple, du méthane et du pentane sans sortir du cadre du procédé selon l'invention.
Les proportions, exprimées en fraction molaire, d'éthane (CZ), de propane (C,) et de butane (C,) comprises dans le mélange réfrigérant M, se situent de préférence dans les intervalles suivants:
C2 = [30 , 70 %]
C3 = [30 , 70 %]
C4 = [0 , 20 %]
Le deuxième étage de réfrigération opère avec un deuxième mélange réfrigérant M2, qui est comprimé dans le compresseur K2, puis refroidi dans l'échangeur E24 à l'aide du fluide externe de refroidissement disponible. Le mélange M 2 est envoyé par un conduit 31 dans les sections de réfrigération du premier étage, E,, E2 et E, dans lesquelles il est refroidi et au moins partiellement condensé. Il est ensuite transmis au deuxième étage de réfrigération par un conduit 32. II est alors complètement condensé et sous-refroidi dans la section de refroidissement E4 du deuxième étage.
Le mélange réfrigérant M, passe du premier étage au deuxième étage sans séparation de phases.
Cette façon de procéder permet notamment de réaliser les deux étages de réfrigération et 5 dans une même ligne d'échange.
A la sortie de la section de réfrigération Eõ le mélange MZ extrait par un conduit 33 est séparé
en deux fractions F', et F'2 par exemple.
La première fraction F, du mélange MZ est détendue à travers une vanne de détente V.
équipant un conduit 34 à un premier niveau de pression. Elle assure ensuite une partie de la
10 réfrigération du gaz naturel et du mélange réfrigérant M2 dans la section E,. La phase vapeur ainsi obtenue est recyclée par un conduit 35 à un étage intermédiaire du compresseur K2 correspondant au niveau de pression du mélange vapeur ainsi obtenu.
La deuxième fraction F'z du mélange MZ restante est détendue à un deuxième niveau de pression, inférieur au premier niveau de pression, à travers une vanne de détente V. disposée sur un conduit 36puis vaporisée pour assurer la réfrigération du gaz naturel et du mélange réfrigérant dans la section E,. La phase vapeur ainsi obtenue est recyclée à l'entrée du compresseur K2 par un conduit 37.
La figure 2A schématise une autre variante pour effectuer la détente du mélange M2 au niveau du deuxième étage de réfrigération.
Il est aussi possible de détendre la totalité du mélange Mz condensé et sous refroidi obtenu en sortie de E,, au moyen d'une turbine de détente liquide T, jusqu'au dit premier niveau de pression précité et d'effectuer ensuite la séparation en deux fractions F, et F'2. La fraction F, est alors envoyée directement dans la section d'échange E, sans qu'il soit nécessaire d'installer la vanne V4. La fraction F'Z est elle détendue à nouveau jusqu'au dit deuxième niveau de pression précité à travers la vanne de détente VS puis envoyée dans la section d'échange E4.
La deuxième fraction F'z du mélange MZ restante est détendue à un deuxième niveau de pression, inférieur au premier niveau de pression, à travers une vanne de détente V. disposée sur un conduit 36puis vaporisée pour assurer la réfrigération du gaz naturel et du mélange réfrigérant dans la section E,. La phase vapeur ainsi obtenue est recyclée à l'entrée du compresseur K2 par un conduit 37.
La figure 2A schématise une autre variante pour effectuer la détente du mélange M2 au niveau du deuxième étage de réfrigération.
Il est aussi possible de détendre la totalité du mélange Mz condensé et sous refroidi obtenu en sortie de E,, au moyen d'une turbine de détente liquide T, jusqu'au dit premier niveau de pression précité et d'effectuer ensuite la séparation en deux fractions F, et F'2. La fraction F, est alors envoyée directement dans la section d'échange E, sans qu'il soit nécessaire d'installer la vanne V4. La fraction F'Z est elle détendue à nouveau jusqu'au dit deuxième niveau de pression précité à travers la vanne de détente VS puis envoyée dans la section d'échange E4.
11 Le mélange réfrigérant M , comprend par exemple du méthane et de l'éthane. Il peut comprendre également d'autres constituants, tels que par exemple de l'azote et du propane sans sortir du cadre du procédé selon l'invention.
Sa masse molaire est de préférence comprise entre 22 et 27.
Les proportions exprimées en fractions molaires d'azote (NZ), de méthane (C,), d'éthane (Cz) et de propane (C,) comprises dans le mélange réfrigérant M2 se situent de préférence dans les intervalles suivants:
N2 = [0 , 10 /a]
C, = [30 , 50 %]
C2 = [30 , 50 %]
C3 _ [0 , 10%]
La température Tc de sortie du premier étage de réfrigération (sur le gaz naturel) peut être choisie de manière à répartir de façon optimale les puissances de compression sur les deux cycles de réfrigération assurant les étapes de réfrigération. Dans une version préférée du procédé selon l'invention, chacun desdits cycles comprend un système de compression entraîné
par une turbine à
gaz identique.
La température Tc de prérefroidissement à la sortie du premier étage de réfrigération est ainsi de préférence comprise entre -40 et -70 C.
Dans une version préférée du procédé, les puissances de compression mises en jeu sur les deux cycles de réfrigération sont voisines, la puissance de compression mise en jeu au cours de l'étape de réfrigération étant comprise de préférence entre 45 et 55% de la puissance de compression mise en jeu au cours de l'étape de réfrigération.
Selon une version préférée du procédé, la fraction molaire condensée du mélange réfrigérant M2 en sortie de la première étape est au moins égale à 90%.
Sa masse molaire est de préférence comprise entre 22 et 27.
Les proportions exprimées en fractions molaires d'azote (NZ), de méthane (C,), d'éthane (Cz) et de propane (C,) comprises dans le mélange réfrigérant M2 se situent de préférence dans les intervalles suivants:
N2 = [0 , 10 /a]
C, = [30 , 50 %]
C2 = [30 , 50 %]
C3 _ [0 , 10%]
La température Tc de sortie du premier étage de réfrigération (sur le gaz naturel) peut être choisie de manière à répartir de façon optimale les puissances de compression sur les deux cycles de réfrigération assurant les étapes de réfrigération. Dans une version préférée du procédé selon l'invention, chacun desdits cycles comprend un système de compression entraîné
par une turbine à
gaz identique.
La température Tc de prérefroidissement à la sortie du premier étage de réfrigération est ainsi de préférence comprise entre -40 et -70 C.
Dans une version préférée du procédé, les puissances de compression mises en jeu sur les deux cycles de réfrigération sont voisines, la puissance de compression mise en jeu au cours de l'étape de réfrigération étant comprise de préférence entre 45 et 55% de la puissance de compression mise en jeu au cours de l'étape de réfrigération.
Selon une version préférée du procédé, la fraction molaire condensée du mélange réfrigérant M2 en sortie de la première étape est au moins égale à 90%.
12 Dans une version préférée, le rapport molaire du débit de mélange réfrigérant M2 au débit de gaz naturel est inférieur à 1.
Le nombre de niveaux de pression de détente dans le deuxième étage de réfrigération peut varier, par exemple entre 2 et 4 et résulte d'un choix conduisant à une optimisation économique.
Le mélange réfrigérant M2 est comprimé à une pression par exemple comprise entre 3 et 7 MPa.
Il est vaporisé à au moins deux niveaux de pression. Dans ce cas, le premier niveau de pression est compris par exemple entre 0,1 et 0,3 MPa et le deuxième niveau de pression est compris par exemple entre 0,3 et 1 MPa.
Le nombre de sections d'échange de chaleur peut varier. Ainsi, dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 2, on opère avec deux niveaux de pression de détente et une section d'échange E, en opérant tout au long de cette section d'échange, un échange de chaleur simultané
entre au moins quatre flux circulant en parallèle dans au moins quatre passes distinctes. Ces quatre flux peuvent être, le gaz naturel sous-refroidi provenant de la première étape de réfrigération, le mélange MZ sous pression partiellement condensé, ces deux flux circulant dans un même sens, et les deux fractions du mélange M2 détendues à des niveaux de pression différents circulant en sens opposé.
Il est également possible d'opérer selon l'exemple de réalisation illustré par la figure 3.
Dans cet exemple, la section d'échange de la deuxième étape de réfrigération comporte deux sections successives, Ed, et El..
Le flux de gaz naturel introduit par le conduit 21 circule dans la ligne L, à
travers la section d'échange E4.
Le nombre de niveaux de pression de détente dans le deuxième étage de réfrigération peut varier, par exemple entre 2 et 4 et résulte d'un choix conduisant à une optimisation économique.
Le mélange réfrigérant M2 est comprimé à une pression par exemple comprise entre 3 et 7 MPa.
Il est vaporisé à au moins deux niveaux de pression. Dans ce cas, le premier niveau de pression est compris par exemple entre 0,1 et 0,3 MPa et le deuxième niveau de pression est compris par exemple entre 0,3 et 1 MPa.
Le nombre de sections d'échange de chaleur peut varier. Ainsi, dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 2, on opère avec deux niveaux de pression de détente et une section d'échange E, en opérant tout au long de cette section d'échange, un échange de chaleur simultané
entre au moins quatre flux circulant en parallèle dans au moins quatre passes distinctes. Ces quatre flux peuvent être, le gaz naturel sous-refroidi provenant de la première étape de réfrigération, le mélange MZ sous pression partiellement condensé, ces deux flux circulant dans un même sens, et les deux fractions du mélange M2 détendues à des niveaux de pression différents circulant en sens opposé.
Il est également possible d'opérer selon l'exemple de réalisation illustré par la figure 3.
Dans cet exemple, la section d'échange de la deuxième étape de réfrigération comporte deux sections successives, Ed, et El..
Le flux de gaz naturel introduit par le conduit 21 circule dans la ligne L, à
travers la section d'échange E4.
13 Le deuxième mélange réfrigérant M2 introduit par le conduit 32 circule dans une ligne L2.
Une première fraction F", de ce mélange M 2, sous-refroidie jusqu'à une température proche de sa température de bulle après détente, est prélevée et envoyée par une ligne L, vers une vanne de détente V42, où elle est détendue jusqu'au premier niveau de pression P,.
Cette première fraction F", est vaporisée à la pression P, dans la section d'échange E42, pour assurer au moins en partie la réfrigération de cette section.
La fraction restante ou deuxième fraction F"2 continue à circuler dans la ligne L2, où elle continue à être sous-refroidie jusqu'à une température proche de sa température de bulle au deuxième niveau de pression de détente PZ. Elle est ensuite détendue à la pression PZ à travers une vanne de détente Võ puis vaporisée dans la section Eõ pour assurer sa réfrigération. En sortie de cette section E41, cette fraction est au moins partiellement vaporisée, la vaporisation est achevée dans la section E. F"Z circule dans la ligne L4.
On réalise ainsi un échange simultané entre le gaz naturel et le mélange M2 circulant sous pression dans un même sens et les fractions du mélange MZ détendues à des niveaux de pression différents circulant en sens opposé.
Selon une autre variante de mise en oeuvre, non schématisée, le gaz naturel entièrement condensé et sous refroidi, peut être détendu au travers une vanne de détente Vi jusqu'à une pression Pi à un niveau intermédiaire de la section d'échange E, (par exemple entre les sous sections Eõ et E42). La pression Pi est choisie de manière à ce qu'après détente jusqu'à cette pression le gaz naturel reste entièrement condensé.
Les diverses vannes de détente des mélanges réfrigérants (Võ V21 V3, V41 V51 V,,, V421 V;) peuvent être en partie ou en totalité remplacées par des turbines de détente liquides, ce qui ne change pas les caractéristiques principales du procédé de l'invention.
Une première fraction F", de ce mélange M 2, sous-refroidie jusqu'à une température proche de sa température de bulle après détente, est prélevée et envoyée par une ligne L, vers une vanne de détente V42, où elle est détendue jusqu'au premier niveau de pression P,.
Cette première fraction F", est vaporisée à la pression P, dans la section d'échange E42, pour assurer au moins en partie la réfrigération de cette section.
La fraction restante ou deuxième fraction F"2 continue à circuler dans la ligne L2, où elle continue à être sous-refroidie jusqu'à une température proche de sa température de bulle au deuxième niveau de pression de détente PZ. Elle est ensuite détendue à la pression PZ à travers une vanne de détente Võ puis vaporisée dans la section Eõ pour assurer sa réfrigération. En sortie de cette section E41, cette fraction est au moins partiellement vaporisée, la vaporisation est achevée dans la section E. F"Z circule dans la ligne L4.
On réalise ainsi un échange simultané entre le gaz naturel et le mélange M2 circulant sous pression dans un même sens et les fractions du mélange MZ détendues à des niveaux de pression différents circulant en sens opposé.
Selon une autre variante de mise en oeuvre, non schématisée, le gaz naturel entièrement condensé et sous refroidi, peut être détendu au travers une vanne de détente Vi jusqu'à une pression Pi à un niveau intermédiaire de la section d'échange E, (par exemple entre les sous sections Eõ et E42). La pression Pi est choisie de manière à ce qu'après détente jusqu'à cette pression le gaz naturel reste entièrement condensé.
Les diverses vannes de détente des mélanges réfrigérants (Võ V21 V3, V41 V51 V,,, V421 V;) peuvent être en partie ou en totalité remplacées par des turbines de détente liquides, ce qui ne change pas les caractéristiques principales du procédé de l'invention.
14 En définitive, le procédé est notamment caractérisé en ce que :
(1) Le gaz naturel sous pression est refroidi et éventuellement partiellement condensé, au cours d'une première étape de réfrigération jusqu'à une température Tc au moins inférieure à-30 C, à
l'aide d'un premier cycle de réfrigération opérant à l'aide d'un mélange réfrigérant M, qui est comprimé, au moins partiellement condensé par refroidissement à l'aide du fluide ambiant de refroidissement disponible puis sous-refroidi, détendu et vaporisé à au moins deux niveaux de pression.
(2) Le gaz naturel sous pression est ensuite totalement condensé puis sous-refroidi au cours d'une deuxième étape de réfrigération à l'aide d'un deuxième cycle de réfrigération opérant à l'aide d'un deuxième mélange réfrigérant Mz qui est comprimé, refroidi et au moins partiellement condensé au cours de la première étape de réfrigération par échange de chaleur avec le premier mélange réfrigérant M,, totalement condensé puis sous-refroidi au cours de la deuxième étape de réfrigération puis détendu et vaporisé à au moins deux niveaux de pression, le mélange M2 étant totalement condensé puis sous-refroidi au cours des deux étapes successives de réfrigération et sans séparation entre les phases liquide et vapeur.
(3) Le gaz naturel sous-refroidi est détendu pour former le GNL produit.
Avantages Un des avantages offert par le procédé selon l'invention est de pouvoir réaliser l'ensemble des étapes de réfrigération et dans une seule ligne d'échange, comprenant un ou plusieurs échangeurs à plaques montés en parallèle.
Ainsi, par exemple, on peut réaliser l'ensemble des échanges opérés dans les sections E,, EZ, E3 et E4 de l'exemple de réalisation illustré sur la figure 2, au moyen d'un échangeur à plaques unique ou de deux échangeurs à plaques en série soudés bout à bout, par exemple de type échangeurs à plaques et ailettes en aluminium brasé. Cet échangeur est conçu de manière à
pouvoir réaliser les soutirages et injections intermédiaires de mélange réfrigérant, mais du fait qu'aucune séparation de phases intermédiaire n'est opérée, l'ensemble des échanges peut être réalisé dans un seul équipement compact, comme cela est illustré sur le schéma de la figure 4 où
5 les références des conduits d'introduction et d'extraction des différents flux des mélanges réfrigérants correspondent à celles de la figure 2.
La surface unitaire d'un assemblage de plaques brasées étant limitée, on peut installer plusieurs échangeurs de ce type en parallèle, ce qui se prête à une conception modulaire de l'installation de liquéfaction. Cette conception modulaire est un autre avantage du procédé de 10 l'invention, puisqu'il devient possible de mettre hors service l'un des modules de la ligne d'échange (par exemple pour des opérations de maintenance, inspection, réparation) sans mettre hors service l'ensemble de la ligne et donc sans avoir à arrêter la production de GNL, qui se trouve alors seulement légèrement réduite.
(1) Le gaz naturel sous pression est refroidi et éventuellement partiellement condensé, au cours d'une première étape de réfrigération jusqu'à une température Tc au moins inférieure à-30 C, à
l'aide d'un premier cycle de réfrigération opérant à l'aide d'un mélange réfrigérant M, qui est comprimé, au moins partiellement condensé par refroidissement à l'aide du fluide ambiant de refroidissement disponible puis sous-refroidi, détendu et vaporisé à au moins deux niveaux de pression.
(2) Le gaz naturel sous pression est ensuite totalement condensé puis sous-refroidi au cours d'une deuxième étape de réfrigération à l'aide d'un deuxième cycle de réfrigération opérant à l'aide d'un deuxième mélange réfrigérant Mz qui est comprimé, refroidi et au moins partiellement condensé au cours de la première étape de réfrigération par échange de chaleur avec le premier mélange réfrigérant M,, totalement condensé puis sous-refroidi au cours de la deuxième étape de réfrigération puis détendu et vaporisé à au moins deux niveaux de pression, le mélange M2 étant totalement condensé puis sous-refroidi au cours des deux étapes successives de réfrigération et sans séparation entre les phases liquide et vapeur.
(3) Le gaz naturel sous-refroidi est détendu pour former le GNL produit.
Avantages Un des avantages offert par le procédé selon l'invention est de pouvoir réaliser l'ensemble des étapes de réfrigération et dans une seule ligne d'échange, comprenant un ou plusieurs échangeurs à plaques montés en parallèle.
Ainsi, par exemple, on peut réaliser l'ensemble des échanges opérés dans les sections E,, EZ, E3 et E4 de l'exemple de réalisation illustré sur la figure 2, au moyen d'un échangeur à plaques unique ou de deux échangeurs à plaques en série soudés bout à bout, par exemple de type échangeurs à plaques et ailettes en aluminium brasé. Cet échangeur est conçu de manière à
pouvoir réaliser les soutirages et injections intermédiaires de mélange réfrigérant, mais du fait qu'aucune séparation de phases intermédiaire n'est opérée, l'ensemble des échanges peut être réalisé dans un seul équipement compact, comme cela est illustré sur le schéma de la figure 4 où
5 les références des conduits d'introduction et d'extraction des différents flux des mélanges réfrigérants correspondent à celles de la figure 2.
La surface unitaire d'un assemblage de plaques brasées étant limitée, on peut installer plusieurs échangeurs de ce type en parallèle, ce qui se prête à une conception modulaire de l'installation de liquéfaction. Cette conception modulaire est un autre avantage du procédé de 10 l'invention, puisqu'il devient possible de mettre hors service l'un des modules de la ligne d'échange (par exemple pour des opérations de maintenance, inspection, réparation) sans mettre hors service l'ensemble de la ligne et donc sans avoir à arrêter la production de GNL, qui se trouve alors seulement légèrement réduite.
15 Chacun des deux cycles de réfrigération assurant les étapes de réfrigération et comprend un système de compression entraîné de préférence par une turbine à gaz indépendante T, et Tz.
Le procédé de l'invention permet également d'équilibrer les puissances mécaniques entre les deux étages de réfrigération et donc d'opérer en utilisant deux turbines à gaz d'entraînement identiques, ce qui constitue un avantage en terme de coûts (investissement, maintenance).
Le procédé de l'invention ne nécessitant pas de séparation de phase sur les mélanges réfrigérants, permet de travailler en tout point du procédé avec des mélanges réfrigérants de composition constante, ce qui facilite l'opération du procédé en termes de contrôle et de régulations.
Le procédé de l'invention permet également d'équilibrer les puissances mécaniques entre les deux étages de réfrigération et donc d'opérer en utilisant deux turbines à gaz d'entraînement identiques, ce qui constitue un avantage en terme de coûts (investissement, maintenance).
Le procédé de l'invention ne nécessitant pas de séparation de phase sur les mélanges réfrigérants, permet de travailler en tout point du procédé avec des mélanges réfrigérants de composition constante, ce qui facilite l'opération du procédé en termes de contrôle et de régulations.
16 Le procédé de l'invention nécessite seulement la mise en oeuvre de débits limités de mélanges réfrigérants et notamment du mélange réfrigérant cryogénique MZ dont le débit molaire reste toujours inférieur à celui du gaz naturel à liquéfier. Ceci constitue également un avantage puisqu'on peut ainsi, par rapports aux procédés de liquéfaction connus, réduire la taille des équipements nécessaires à la mise en oeuvre de ce mélange réfrigérant cryogénique (compresseurs, lignes et ballons d'aspiration des compresseurs notamment).
Le procédé de l'invention est particulièrement économe en énergie, puisqu'il permet de liquéfier le gaz naturel en mettant en oeuvre des puissances mécaniques généralement inférieures à 800 kJ/kg GNL, valeur là aussi inférieure de plus de 10 % à celles rencontrées pour les meilleurs procédés concurrents. Cette faible consommation énergétique permet au procédé
de l'invention, avec des turbines à gaz d'entraînement données, de produire significativement plus de GNL que les procédés connus à ce jour.
Exemple Le procédé selon l'invention est illustré par l'exemple numérique suivant, décrit en relation avec les figures 2 et 2A.
Un gaz naturel est introduit par la ligne 20 dans l'échangeur E, à une pression de 6 MPa et une température de 30 C. La composition de ce gaz est la suivante, en fraction molaire (%) :
méthane : 87.24 éthane : 6.40 propane : 2.26 isobutane : 0.48
Le procédé de l'invention est particulièrement économe en énergie, puisqu'il permet de liquéfier le gaz naturel en mettant en oeuvre des puissances mécaniques généralement inférieures à 800 kJ/kg GNL, valeur là aussi inférieure de plus de 10 % à celles rencontrées pour les meilleurs procédés concurrents. Cette faible consommation énergétique permet au procédé
de l'invention, avec des turbines à gaz d'entraînement données, de produire significativement plus de GNL que les procédés connus à ce jour.
Exemple Le procédé selon l'invention est illustré par l'exemple numérique suivant, décrit en relation avec les figures 2 et 2A.
Un gaz naturel est introduit par la ligne 20 dans l'échangeur E, à une pression de 6 MPa et une température de 30 C. La composition de ce gaz est la suivante, en fraction molaire (%) :
méthane : 87.24 éthane : 6.40 propane : 2.26 isobutane : 0.48
17 n-butane : 0.46 pentanes : 0.09 azote : 3.07 Ce gaz naturel est refroidi jusqu'à une température de - 60 C et partiellement condensé, dans les sections d'échange Eõ EZ et E, qui constituent l'étage de réfrigération. Cet étage de réfrigération met en oeuvre un mélange réfrigérant Ml dont la composition est la suivante en fractions molaires (%) :
éthane : 50.00 propane : 50.00 Le mélange M, est comprimé en phase gazeuse dans le compresseur multi-étagé K, jusqu'à
une pression de 2.64 MPa. Il est refroidi et condensé jusqu'à une température de 30 C dans l'échangeur E2,d'où il sort entièrement condensé pour être admis dans la section d'échange E, par la ligne 23. Ce mélange condensé est alors sous refroidi dans la section d'échange E, jusqu'à une température de 0 C. En sortie de cette première section d'échange on prélève, par la ligne 24, une première fraction F, du mélange M,, qui est détendue à travers la vanne de détente V, jusqu'à une pression de 1.27 MPa. Cette fraction F, est ensuite vaporisée dans la section E, puis renvoyée par la ligne 25 à l'aspiration du dernier étage du compresseur K,. Le débit molaire de la fraction F, représente 36.4 % du débit molaire total du mélange M, en sortie du compresseur K,.
Le reste du mélange M, est envoyé par la ligne 26 dans la section d'échange EZ
où il est refroidi jusqu'à une température de - 30 C. En sortie de cette seconde section d'échange on prélève, par la ligne 27, une seconde fraction FZ du mélange M,, qui est détendue à travers la vanne de détente V2 jusqu'à une pression de 0.55 MPa. Cette fraction FZ est ensuite vaporisée dans la section E2 puis renvoyée par la ligne 28 à l'aspiration de l'étage intermédiaire du compresseur K,. Le
éthane : 50.00 propane : 50.00 Le mélange M, est comprimé en phase gazeuse dans le compresseur multi-étagé K, jusqu'à
une pression de 2.64 MPa. Il est refroidi et condensé jusqu'à une température de 30 C dans l'échangeur E2,d'où il sort entièrement condensé pour être admis dans la section d'échange E, par la ligne 23. Ce mélange condensé est alors sous refroidi dans la section d'échange E, jusqu'à une température de 0 C. En sortie de cette première section d'échange on prélève, par la ligne 24, une première fraction F, du mélange M,, qui est détendue à travers la vanne de détente V, jusqu'à une pression de 1.27 MPa. Cette fraction F, est ensuite vaporisée dans la section E, puis renvoyée par la ligne 25 à l'aspiration du dernier étage du compresseur K,. Le débit molaire de la fraction F, représente 36.4 % du débit molaire total du mélange M, en sortie du compresseur K,.
Le reste du mélange M, est envoyé par la ligne 26 dans la section d'échange EZ
où il est refroidi jusqu'à une température de - 30 C. En sortie de cette seconde section d'échange on prélève, par la ligne 27, une seconde fraction FZ du mélange M,, qui est détendue à travers la vanne de détente V2 jusqu'à une pression de 0.55 MPa. Cette fraction FZ est ensuite vaporisée dans la section E2 puis renvoyée par la ligne 28 à l'aspiration de l'étage intermédiaire du compresseur K,. Le
18 débit molaire de la fraction F. représente 36.1 % du débit molaire total du mélange M, en sortie du compresseur K,.
Le reste du mélange M,, représentant une fraction F,, est envoyé par la ligne 29 dans la section d'échange E, où il est refroidi jusqu'à une température de - 60 C. En sortie de cette troisième section d'échange, cette fraction F, est détendue à travers la vanne de détente V, jusqu'à
une pression de 0.19 MPa. Cette fraction F, est ensuite vaporisée dans la section E, puis renvoyée par la ligne 30 à l'aspiration du premier étage du compresseur K,.
Le gaz naturel refroidi et partiellement condensé en sortie de E3, à - 60 C, est alors envoyé
par la ligne 21 vers la section d'échange E, qui constitue l'étage de réfrigération. Cet étage de réfrigération met en oeuvre un mélange réfrigérant M2 dont la composition est la suivante en fractions molaires (%) méthane 47.40 éthane : 45.00 propane 2.00 azote : 5.60 Le mélange M2 est comprimé en phase gazeuse dans le compresseur multi-étagé K2 jusqu'à
une pression de 5.55 MPa. Il est refroidi jusqu'à une température de 30 C
dans l'échangeur E24 d'où
il sort entièrement gazeux pour être admis dans la section d'échange E, par la ligne 31. II est alors refroidi et entièrement condensé dans les sections d'échange Eõ EZ et E, jusqu'à une température de - 60 C. Il est ensuite admis par la ligne 32 dans la section d'échange E, où il est sous refroidi jusqu'à une température de - 150 C. Ce mélange MZ sous-refroidi est alors envoyé par ligne 33 vers une turbine-de détente liquide T où il est détendu jusqu'à une pression de 0.58 MPa.
Après cette première détente on prélève une fraction F, du mélange que l'on envoie par la ligne 34 vers la section d'échange Eõ où cette fraction F, est vaporisée. La fraction F', ainsi
Le reste du mélange M,, représentant une fraction F,, est envoyé par la ligne 29 dans la section d'échange E, où il est refroidi jusqu'à une température de - 60 C. En sortie de cette troisième section d'échange, cette fraction F, est détendue à travers la vanne de détente V, jusqu'à
une pression de 0.19 MPa. Cette fraction F, est ensuite vaporisée dans la section E, puis renvoyée par la ligne 30 à l'aspiration du premier étage du compresseur K,.
Le gaz naturel refroidi et partiellement condensé en sortie de E3, à - 60 C, est alors envoyé
par la ligne 21 vers la section d'échange E, qui constitue l'étage de réfrigération. Cet étage de réfrigération met en oeuvre un mélange réfrigérant M2 dont la composition est la suivante en fractions molaires (%) méthane 47.40 éthane : 45.00 propane 2.00 azote : 5.60 Le mélange M2 est comprimé en phase gazeuse dans le compresseur multi-étagé K2 jusqu'à
une pression de 5.55 MPa. Il est refroidi jusqu'à une température de 30 C
dans l'échangeur E24 d'où
il sort entièrement gazeux pour être admis dans la section d'échange E, par la ligne 31. II est alors refroidi et entièrement condensé dans les sections d'échange Eõ EZ et E, jusqu'à une température de - 60 C. Il est ensuite admis par la ligne 32 dans la section d'échange E, où il est sous refroidi jusqu'à une température de - 150 C. Ce mélange MZ sous-refroidi est alors envoyé par ligne 33 vers une turbine-de détente liquide T où il est détendu jusqu'à une pression de 0.58 MPa.
Après cette première détente on prélève une fraction F, du mélange que l'on envoie par la ligne 34 vers la section d'échange Eõ où cette fraction F, est vaporisée. La fraction F', ainsi
19 vaporisée est alors envoyée par la ligne 35 à l'aspiration du second étage du compresseur KZ. Le débit molaire de cette fraction F', représente 50 % du débit molaire total du mélange M2 en sortie du compresseur K2.
L'autre fraction F'2 du mélange M2 obtenu après détente dans la turbine T est envoyée par la ligne 36 vers la vanne de détente VS où elle est détendue jusqu'à une pression de 0.27 MPa. Cette fraction F'2 est alors envoyée après détente vers la section d'échange E, où
elle est vaporisée puis envoyée par la ligne 37 à l'aspiration du premier étage du compresseur K2.
Le gaz naturel ainsi liquéfié et sous refroidi est alors obtenu en sortie de la section d'échange Eõ par la ligne 22, sous une pression de 5.92 MPa et une température de - 150 C. Il peut alors être détendu grâce à une vanne ou une turbine de détente pour produire le GNL.
Dans l'exemple ainsi indiqué le rapport molaire du débit du mélange réfrigérant MZ au débit du gaz naturel traité est égal à 0.883.
Pour une production de GNL de 450516 kg/h, les puissances mécaniques fournies par les compresseurs K, et KZ sont alors respectivement de 46474 KW et 45371 KW, soit une puissance mécanique totale d représentant 734 kJ par kg de GNL produit à-150 C.
L'autre fraction F'2 du mélange M2 obtenu après détente dans la turbine T est envoyée par la ligne 36 vers la vanne de détente VS où elle est détendue jusqu'à une pression de 0.27 MPa. Cette fraction F'2 est alors envoyée après détente vers la section d'échange E, où
elle est vaporisée puis envoyée par la ligne 37 à l'aspiration du premier étage du compresseur K2.
Le gaz naturel ainsi liquéfié et sous refroidi est alors obtenu en sortie de la section d'échange Eõ par la ligne 22, sous une pression de 5.92 MPa et une température de - 150 C. Il peut alors être détendu grâce à une vanne ou une turbine de détente pour produire le GNL.
Dans l'exemple ainsi indiqué le rapport molaire du débit du mélange réfrigérant MZ au débit du gaz naturel traité est égal à 0.883.
Pour une production de GNL de 450516 kg/h, les puissances mécaniques fournies par les compresseurs K, et KZ sont alors respectivement de 46474 KW et 45371 KW, soit une puissance mécanique totale d représentant 734 kJ par kg de GNL produit à-150 C.
Claims (16)
1 - Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison 3u moins les étapes suivantes :
a) on refroidit ledit gaz naturel au cours d'une première étape de réfrigération jusqu'à une température inférieure à - 30 °C à l'aide d'un premier cycle de réfrigération opérant à l'aide d'un premier mélange de réfrigérant M1, ledit premier mélange réfrigérant étant comprimé, au moins partiellement condensé par refroidissement à l'aide d'un fluide externe de refroidissement, puis sous refroidi, détendu à au moins deux niveaux de pression et vaporisé, b) on condense ledit gaz naturel issu de l'étape a) et on le sous-refroidit au cours d'une deuxième étape de réfrigération à l'aide d'un deuxième cycle de réfrigération opérant à
l'aide d'un deuxième mélange réfrigérant M2, ledit deuxième mélange réfrigérant étant comprimé, refroidi à
l'aide d'un fluide externe de refroidissement, puis refroidi par échange de chaleur avec le premier mélange réfrigérant M1 au cours de la première étape de réfrigération, à
l'issue de laquelle il se trouve dans un état au moins partiellement condensé, ledit deuxième mélange partiellement condensé est envoyé sans séparation de phases vers la deuxième étape de réfrigération où il est condensé totalement, détendu et vaporisé à au moins deux niveaux de pression, et c) on détend ledit gaz naturel sous-refroidi issu de l'étape b) pour former le GNL produit.
a) on refroidit ledit gaz naturel au cours d'une première étape de réfrigération jusqu'à une température inférieure à - 30 °C à l'aide d'un premier cycle de réfrigération opérant à l'aide d'un premier mélange de réfrigérant M1, ledit premier mélange réfrigérant étant comprimé, au moins partiellement condensé par refroidissement à l'aide d'un fluide externe de refroidissement, puis sous refroidi, détendu à au moins deux niveaux de pression et vaporisé, b) on condense ledit gaz naturel issu de l'étape a) et on le sous-refroidit au cours d'une deuxième étape de réfrigération à l'aide d'un deuxième cycle de réfrigération opérant à
l'aide d'un deuxième mélange réfrigérant M2, ledit deuxième mélange réfrigérant étant comprimé, refroidi à
l'aide d'un fluide externe de refroidissement, puis refroidi par échange de chaleur avec le premier mélange réfrigérant M1 au cours de la première étape de réfrigération, à
l'issue de laquelle il se trouve dans un état au moins partiellement condensé, ledit deuxième mélange partiellement condensé est envoyé sans séparation de phases vers la deuxième étape de réfrigération où il est condensé totalement, détendu et vaporisé à au moins deux niveaux de pression, et c) on détend ledit gaz naturel sous-refroidi issu de l'étape b) pour former le GNL produit.
2 - Procédé selon la revendicat ion 1, caractérisé en ce que ledit premier mélange M1 comprend au moins de l'éthane, du propane et du butane.
3 - Procédé selon la revendication 1,caractérisé en ce que le mélange M2 comprend au moins du méthane, de l'éthane, du propane et de l'azote, et en ce que sa masse molaire est comprise entre 22 et 27.
4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en oe que l'on utilise comme fluide externe de refroidissement un fluide ambiant disponible.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on réalise la première étape de réfrigération et la deuxième étape de réfrigération dans une méme ligne d'échange comportant un ou plusieurs échangeurs à plaques montés en parallèle.
6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on choisit la température Tc de manière à équilibrer les puissances de compression sur les deux cycles de réfrigération assurant les étapes de réfrigération, chacun desdits cycles comportant un système de compression entraîné par une turbine à gaz identique.
7- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on comprime la mélange M2 à une pression comprise entre 3 et 7 MPa.
8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on vaporise le deuxième mélange M2 à un premier niveau de pression étant compris entre 0,1 et 0,3 MPa et à un deuxième niveau de pression compris entre 0,3 et 1 MPa.
9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé
en ce que la fraction molaire condensée du deuxième mélange M2 en sortie de la première étape de réfrigération est au moins égale à 90 %.
en ce que la fraction molaire condensée du deuxième mélange M2 en sortie de la première étape de réfrigération est au moins égale à 90 %.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le rapport molaire du débit total de mélange de réfrigérant M2 au débit de gaz naturel est inférieur à 1.
11 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la température Tc est choisie dans l'intervalle [- 40 et - 70 °C].
12 - Dispositif de liquéfaction d'un gaz naturel caractérisé en ce qu'il comporte .cndot. une première zone de réfrigération adaptée pour opérer dans des conditions de température jusqu'à au moins - 30 °C, et obtenir en sortie un mélange réfrigérant M2 au moins partiellement condensé utilisé dans une deuxième zone de réfrigération, et ledit gaz naturel sous-refroidi jusqu'à au moins - 30 °C, ladite première zone comportant un premier circuit de préréfrigération à
l'aide d'un premier mélange de réfrigérant M1, .cndot. une deuxième zone de réfrigération adaptée pour opérer à une température au moins inférieure à - 140 °C, à l'issue de laquelle ledit gaz naturel issu de la première zone de réfrigération est réfrigéré jusqu'à une température inférieure à - 140 °C par vaporisation dudit mélange réfrigérant M2 issu de ladite première zone et envoyé sans séparation de phase vers la deuxième zone de réfrigération, .cndot. des moyens de détente dudit gaz naturel issu de la deuxième zone de réfrigération, .cndot. des moyens de détente (V1, V2, V3, V4, V5, T) adaptés pour détendre le mélange M, et le mélange M2 à au moins deux niveaux de pression et des moyens de compression (K1, K2) desdits premiers et deuxième mélange de réfrigérant.
l'aide d'un premier mélange de réfrigérant M1, .cndot. une deuxième zone de réfrigération adaptée pour opérer à une température au moins inférieure à - 140 °C, à l'issue de laquelle ledit gaz naturel issu de la première zone de réfrigération est réfrigéré jusqu'à une température inférieure à - 140 °C par vaporisation dudit mélange réfrigérant M2 issu de ladite première zone et envoyé sans séparation de phase vers la deuxième zone de réfrigération, .cndot. des moyens de détente dudit gaz naturel issu de la deuxième zone de réfrigération, .cndot. des moyens de détente (V1, V2, V3, V4, V5, T) adaptés pour détendre le mélange M, et le mélange M2 à au moins deux niveaux de pression et des moyens de compression (K1, K2) desdits premiers et deuxième mélange de réfrigérant.
13 - Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite deuxième zone de réfrigération comporte une ligne d'échange unique, comportant quatre passes indépendantes (L1, L2, L3 et L4) permettant le passage du gaz naturel sous-refroidi et du mélange de réfrigérant M2 et des fractions dudit mélange de réfrigérant M2 après détente.
14 - Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que la deuxième zone de réfrigération comprend une section d'échange (E4) comportant au moins deux sections successives (E41, E42) et quatre lignes d'échange (L1, L2, L3 et L4).
15 - Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que la première et la deuxième zone de réfrigération sont intégrées dans une ligne d'échange unique.
16 - Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite première zone et ladite deuxième zone de réfrigération comportent des systèmes de compression (K1, K2) entraînés par une turbine à gaz (T1, T2).
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Family
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|---|---|---|---|---|
| US7310971B2 (en) * | 2004-10-25 | 2007-12-25 | Conocophillips Company | LNG system employing optimized heat exchangers to provide liquid reflux stream |
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