CA2957860A1 - Methode pour eviter l'evaporation instantanee de gaz naturel liquefie en cours de transport - Google Patents

Methode pour eviter l'evaporation instantanee de gaz naturel liquefie en cours de transport Download PDF

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Abstract

Procédé pour éliminer l'évaporation d'un courant de gaz naturel liquéfié (26) lors du transfert de celui-ci dans une installation de stockage comprenant les étapes suivantes : Etape a) : liquéfaction, au moyen d'un cycle de réfrigération (7), d'un courant de gaz naturel (1) et d'un courant d'azote (8) dans un échangeur de chaleur principal (2); Etape b) : refroidissement du courant de gaz naturel liquéfié (6) issu de l'étape a) dans un second échangeur (15) de chaleur par circulation dudit courant de gaz naturel liquéfié (6) à contre courant d'un flux d'azote liquide (14) qui se vaporise en refroidissant ledit courant de gaz naturel liquéfié ; caractérisé en ce que le flux d'azote liquide (14) mis en oeuvre à l'étape b) est issu de l'étape a).

Description

Méthode pour éviter l'évaporation instantanée de gaz naturel liquéfié en cours de transport La présente invention concerne un procédé pour éliminer l'évaporation d'un courant de gaz naturel liquéfié lors du transfert de celui-ci dans une installation de stockage.
En effet il est important d'éviter l'évaporation du gaz naturel liquéfié lors de son transfert depuis l'unité de liquéfaction vers l'installation de stockage ; le gaz naturel liquéfié pouvant s'évaporer plus ou moins facilement lors de son transfert en fonction de la température mais aussi de sa teneur en azote.
Sur des usines de liquéfaction de gaz naturel typiques utilisant un cycle de réfrigérant mixte, des courants réfrigérants sont utilisés pour produire le froid à
différents niveaux d'un échangeur de chaleur principal en se vaporisant contre le courant d'hydrocarbures à liquéfier (typiquement le gaz naturel). Le réfrigérant mixte est typiquement un mélange contenant des hydrocarbures. Le courant réfrigérant peut tout aussi bien être un courant d'azote.
Il est souhaitable de liquéfier le gaz naturel pour un certain nombre de raisons.
A titre d'exemple, le gaz naturel peut être stocké et transporté sur de longues distances plus facilement à l'état liquide que sous forme gazeuse, car il occupe un volume plus petit pour une masse donnée et n'a pas besoin d'être stocké à une pression élevée.
Plusieurs méthodes de liquéfaction d'un courant de gaz naturel pour obtenir du gaz naturel liquéfié (GNL) sont connues.
H est connu d'effectuer le stockage et le transport de certains gaz sous une forme liquide à très basse température (typiquement inférieure à ¨160 C) et à
une pression voisine de la pression atmosphérique. Or les réservoirs dans lesquels ces gaz liquéfiés sont stockés et transportés ne peuvent être complètement et parfaitement isolés ; ils supportent donc des pertes thermiques.
2 Il en résulte une évaporation du liquide qui va engendrer une surpression dans les réservoirs, laquelle en devenant rapidement inacceptable va obliger à une évacuation du gaz évaporé.
Différentes solutions à ce problème d'évaporation ont donc dû être envisagées notamment lors du transport de ce gaz liquéfié. Ainsi, sur les navires méthaniers équipés d'une propulsion vapeur, le gaz d'évaporation est évacué des réservoirs de stockage, réchauffé et brûlé dans des chaudières qui alimentent directement un circuit vapeur qui va entraîner l'hélice de propulsion du navire via un réducteur approprié.
Malheureusement, la propulsion vapeur tend aujourd'hui à disparaître et elle est remplacée de plus en plus par des modes de propulsion présentant un plus grand rendement énergétique, comme la propulsion diesel. Aussi, il existe différents projets visant à effectuer le traitement des gaz d'évaporation indépendamment de la propulsion du navire par des dispositifs tendant à supprimer ces évaporations par d'autres moyens.
Par exemple, il est connu de reliquéfier les gaz d'évaporation et de les réinjecter ensuite dans le réservoir d'où ils sont issus. Toutefois, cette méthode suppose l'emploi d'une unité de reliquéfaction d'autant plus complexe et coûteuse que les gaz liquéfiés stockés et transportés ne sont généralement pas purs et que leurs vapeurs contiennent des composants incondensables qui doivent faire l'objet d'un traitement spécifique et d'une purge à l'atmosphère qui présente des inconvénients du point de vue de la sécurité et de la protection de l'environnement.
La teneur en azote dans le gaz naturel est le paramètre clé pour définir, à la pression de l'unité de stockage, la température d'équilibre nécessaire, c'est-à-dire la température à atteindre pour éviter l'évaporation du gaz naturel liquéfié.
Lorsque la teneur en azote est élevée, la température d'équilibre du gaz naturel liquéfié, à pression donnée, sera plus faible.
Le tableau ci-dessous illustre le niveau de température d'équilibre requis en fonction de la teneur en azote du courant de gaz naturel liquéfié.

s ,
3 Teneur en azote dans le gaz Température d'équilibre à
pression naturel (% en volume) atmosphérique ( C) 0 -161,3 -172,5 -179,2 -183,1 Si la température d'équilibre n'est pas atteinte en sous refroidissant le gaz naturel liquéfié, une évaporation de ce dernier apparaitra et conduira à une importante perte de gaz naturel et donc d'énergie.
5 Un autre aspect du problème à résoudre réside dans la variation de la teneur en azote du gaz naturel au cours du temps. Pour des plages de teneurs en azote étendues, différentes températures d'équilibre sont à ajuster pour éviter l'évaporation du gaz naturel. Cela peut conduire à des perturbations des paramètres du procédé mis en oeuvre dans l'unité de liquéfaction de gaz naturel 10 générant une perte d'efficacité voire une impossibilité de fonctionnement.
Les inventeurs de la présente invention ont alors mis au point une solution permettant de résoudre les problèmes soulevés ci-dessus tout en optimisant les dépenses énergétiques.
La présente invention a pour objet un procédé pour éliminer l'évaporation d'un 15 courant de gaz naturel liquéfié lors du transfert de celui-ci dans une installation de stockage comprenant les étapes suivantes :
étape a) : liquéfaction, au moyen d'un cycle de réfrigération, d'un courant de gaz naturel et d'un courant d'azote dans un échangeur de chaleur principal;
étape b) : refroidissement du courant de gaz naturel liquéfié issu de l'étape a) dans un second échangeur de chaleur par circulation dudit courant de gaz naturel liquéfié à contre courant d'un flux d'azote liquide qui se vaporise en refroidissant ledit courant de gaz naturel liquéfié ;
caractérisé en ce que le flux d'azote liquide mis en oeuvre à l'étape b) est issu de l'étape a).
4 Selon d'autres modes de réalisation, la présente invention concerne :
Un procédé tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce que le courant d'azote issu de l'étape b) alimente le cycle de réfrigération mis en oeuvre à l'étape a), après avoir refroidi le courant de gaz naturel liquéfié, en étant introduit au niveau le plus froid dudit échangeur de chaleur principal, puis en circulant à contre courant des courants à liquéfier au cours de l'étape a) jusqu'au niveau le plus chaud dudit échangeur de chaleur principal où ledit courant d'azote est vaporisé.
Un procédé tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu'au moins une partie dudit courant d'azote vaporisé forme le courant d'azote à liquéfier dans l'échangeur principal mis en oeuvre à l'étape a).
Un procédé tel que décrit ci-dessus, comprenant l'étape c) : détente du courant d"azote liquide issu de l'étape a) après la sortie de l'échangeur principal à
son niveau le plus froid puis introduction dudit courant ainsi détendu dans le second échangeur de chaleur au cours de l'étape b).
Un procédé tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce que le courant d'azote liquide issu de l'étape a) est sous-refroidi dans le second échangeur de chaleur avant l'étape c).
Un procédé tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce que le cycle de réfrigération est un cycle d'azote turbo-brayton.
Un procédé tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce que le gaz naturel introduit à l'étape a) comprend au moins 50% en volume de méthane.
Un procédé tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce que le gaz naturel liquéfié refroidi issu de l'étape b) est transféré à une installation de stockage.
Un procédé tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce que les paramètres du cycle de réfrigération sont en ajustés en cours de procédé en fonction de la température souhaitée pour le courant de gaz naturel liquéfié issu de l'étape b) et en fonction de la composition dudit courant de gaz naturel.
Un procédé tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce que les paramètres du cycle de réfrigération sont en ajustés en cours de procédé en fonction de la teneur en azote dudit courant de gaz naturel.

, Un procédé tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce que le courant de gaz naturel à liquéfier est introduit lors de l'étape a) au niveau le plus chaud de l'échangeur de chaleur principal et est évacué sous forme liquide au niveau le plus froid dudit échangeur principal puis est introduit au cours de l'étape b) au niveau le
5 plus chaud du second échangeur de chaleur et est ensuite évacué au niveau le plus froid dudit second échangeur de chaleur.
Bien que le procédé selon la présente invention soit applicable à divers courants d'alimentation d'hydrocarbures, il est particulièrement adapté pour des courants de gaz naturel à liquéfier. En outre l'homme de l'art comprendra aisément que, après liquéfaction, le gaz naturel liquéfié peut être davantage traité, si désiré.
Le courant d'hydrocarbures à liquéfier est généralement un flux de gaz naturel obtenu à partir de gaz naturel ou des réservoirs de pétrole.
Comme alternative, le flux de gaz naturel peut également être obtenu d'une autre source, comprenant également une source synthétique tel qu'un procédé de Fischer-Tropsch.
Habituellement, le flux de gaz naturel est composé essentiellement de méthane. De préférence, le courant d'alimentation comprend au moins 60% mol de méthane, de préférence au moins 80% mol de méthane.
En fonction de la source, le gaz naturel peut contenir des quantités d'hydrocarbures plus lourds que le méthane, tels que l'éthane, le propane, le butane et le pentane ainsi que certains hydrocarbures aromatiques. Le flux de gaz naturel peut également contenir des produits non-hydrocarbures tels que H20, N2, CO2, H2S et d'autres composés soufrés, et autres.
Le flux d'alimentation contenant le gaz naturel peut être prétraité avant d'être l'introduit dans l'échangeur de chaleur principal. Ce prétraitement peut comprendre la réduction et/ou l'élimination des composants indésirables tels que le CO2 et le H2S, ou d'autres étapes telles que le pré-refroidissement et/ou la mise sous pression. Etant donné que ces mesures sont bien connues de l'homme de l'art, elles ne sont pas davantage détaillées ici.
6 L'expression "gaz naturel" telle qu'utilisée dans la présente demande se rapporte à toute composition contenant des hydrocarbures dont au moins du méthane. Cela comprend une composition brute (préalablement à tout traitement tel que nettoyage ou lavage), ainsi que toute composition ayant été
partiellement, substantiellement ou entièrement traitée pour la réduction et /
ou élimination d'un ou plusieurs composés, y compris, mais sans s'y limiter, le soufre, le dioxyde de carbone, l'eau, et les hydrocarbures ayant deux atomes de carbone ou plus. Le séparateur peut être toute unité, colonne ou arrangement adapté
pour séparer le réfrigérant mixte en un courant de réfrigérant vapeur et un flux de réfrigérant liquide. De tels séparateurs sont connus dans l'état de la technique et ne sont pas détaillés ici.
L'échangeur de chaleur visé par l'invention est de préférence un échangeur à
plaques mais peut être toute colonne, une unité ou autre agencement adapté
pour permettre le passage d'un certain nombre de flux, et ainsi permettre un échange de chaleur direct ou indirect entre une ou plusieurs lignes de fluide réfrigérant, et un ou plusieurs flux d'alimentation.
La solution proposée présente les avantages suivants :
- Eviter l'évaporation du gaz naturel liquéfié en cours de transfert vers l'unité
de stockage.
- Permet d'ajuster la température du gaz naturel liquéfié en fonction des fluctuations de la teneur en azote sans modifier les paramètres du procédé de liquéfaction du gaz naturel.
Pour cela, l'azote liquide est utilisé pour sous refroidir le gaz naturel liquéfié en aval de l'unité de liquéfaction. En fonction de la teneur en azote du gaz naturel, la température de sous refroidissement nécessaire pour éviter l'évaporation varie :
plus la teneur en azote est élevée, plus la température de sous refroidissement est basse.
L'utilisation de l'azote liquide permet d'ajuster la température de sous refroidissement en fonction de ma teneur en azote du courant de gaz naturel.
7 La présente invention est particulièrement avantageuse sur une unité de liquéfaction basée sur un cycle de réfrigération à base d'azote (en anglais :
reverse Brayton cycle ). Comme l'azote est le moyen de réfrigération de ce type de cycle de réfrigération, l'azote peut être soutiré directement sous pression depuis le circuit de réfrigération et liquéfié ensuite à travers l'échangeur de chaleur servant à liquéfier le gaz naturel. Après être évacué par le bout le plus froid de l'échangeur de chaleur principal, l'azote liquide peut être détendu à basse pression avant d'être vaporisé dans un sous refroidisseur en vue de sous refroidir le gaz naturel liquéfié.
En sortie de l'échangeur de chaleur principal, le courant d'azote est alors mélangé à
l'azote du cycle de réfrigération.
L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant à la figure qui illustre le schéma d'un mode de réalisation particulier d'une mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention.
Sur la figure, un flux 1 de gaz naturel éventuellement préalablement prétraité
(ayant typiquement subi une séparation d'une partie d'au moins un des constituants suivants : de l'eau, du CO2, du méthanol, des composés soufrés) est introduit dans un échangeur de chaleur principal 2 afin d'être liquéfié.
La figure montre donc un procédé de liquéfaction d'un flux d'alimentation 1.
Le courant d'alimentation 1 peut être un courant de gaz naturel prétraité, dans lequel une ou plusieurs substances, telles que du soufre, dioxyde de carbone, de l'eau, sont réduites, de manière à être compatible avec des températures cryogéniques, comme cela est connu dans l'état de la technique.
Facultativement, le courant d'alimentation 1 peut avoir subi une ou plusieurs étapes de pré-refroidissement comme cela est connu dans l'état de la technique.
Une ou plusieurs de(s)étape (s) de pré-refroidissement peuvent comporter un ou plusieurs circuits de réfrigération. A titre d'exemple, un courant d'alimentation de gaz naturel est généralement traité à partir d'une température initiale de 30 C-50 C.
Suite à une ou plusieurs étapes de pré-refroidissement, la température du flux d'alimentation de gaz naturel peut être réduite à -30 C à -70 C.
8 Sur la figure, l'échangeur de chaleur 2 est de préférence un échangeur de chaleur cryogénique à plaques en aluminium brasé. Les échangeurs de chaleur cryogéniques sont connus dans l'état de la technique, et peuvent avoir divers arrangements de leur(s) flux d'alimentation et des courants de réfrigérant. En outre, de tels échangeurs de chaleur peuvent également avoir une ou plusieurs lignes pour permettre le passage d'autres flux, tels que des courants de réfrigérant pour d'autres étapes d'un procédé de refroidissement, par exemple dans des procédés de liquéfaction. Ces autres lignes ou flux ne sont pas représentés sur la figure pour plus de simplicité.
Le courant d'alimentation 1 entre dans l'échangeur de chaleur 2 via une entrée d'alimentation 3 et passe à travers l'échangeur de chaleur via la ligne 4, puis est extrait de l'échangeur à la sortie 5 pour fournir un flux d'hydrocarbures liquéfié 6.
Lorsque le courant liquéfié 6 est du gaz naturel liquéfié, la température peut être d'environ -150 C à -170 C. La liquéfaction du courant d'alimentation 1 est effectuée grâce à un circuit de fluide réfrigérant 7. Dans le circuit de réfrigérant 7 circule un réfrigérant, de préférence l'azote.
Le flux de gaz naturel liquéfié 6 est ensuite introduit dans un second échangeur de chaleur 15 via l'entrée 24 au niveau le plus chaud de ce second échangeur de chaleur 15 afin d'être sous-refroidi à une température T3 inférieure à
T2. Le courant de gaz naturel ainsi sous refroidi 26 est évacué de l'échangeur de chaleur 15 via la sortie 25 située au bout le plus froid de l'échangeur 15.
Typiquement T3 est inférieure à T2, c'est-à-dire inférieure à -160 C, température qui permet d'éviter l'évaporation du gaz naturel liquéfié alors sous refroidi 26, en sortie 25.
Dans l'agencement du fonctionnement de l'échangeur de chaleur 2 représenté
sur la figure, un courant d'azote réfrigérant gazeux 8 est introduit dans l'échangeur principal 2 à une entrée 9 à la température T1 (par exemple comprise entre 0 C
et 40 C), puis il passe à travers cette entrée et se liquéfie et se sous-refroidit le long de la ligne 10 à travers l'échangeur de chaleur 2, jusqu'à la sortie 11 pour produire un courant d'azote liquide 12.
9 La température T2 de la sortie 11 est plus basse que la température de l'entrée 9 de l'échangeur de chaleur 2. T2 est typiquement comprise entre -80 C et -175 C, par exemple -170 C. Dans son passage à travers la ligne 10, le courant de réfrigérant gazeux 8 est liquéfié.
Ainsi le courant d'azote 8 et le courant de gaz naturel 1 sont liquéfiés dans le même échangeur de chaleur principal 2 par un même cycle de réfrigération 7.
Le courant d'azote réfrigérant 12 est alors détendu dans un détendeur 13 par exemple à l'aide d'une vanne, de manière à fournir un courant de réfrigérant à

pression réduite 14. Ce courant réfrigérant 14 est ensuite introduit dans la partie inférieure d'un deuxième échangeur de chaleur 15 par l'entrée 16 (au bout le plus froid de l'échangeur 15). La température T3 de l'entrée 16 est inférieure à
T2.
L'introduction du courant 14 dans l'échangeur de chaleur 15 via l'entrée 16 est alors telle que le passage de ce courant réfrigérant 14 à travers une ligne 17 dans l'échangeur de chaleur 15 se fait de manière ascendante jusqu'à une sortie 18 en de l'échangeur de chaleur 15. La température de cette sortie 18 est sensiblement égale à T2.
Le courant réfrigérant 19 récupéré à la sortie 18 de l'échangeur de chaleur 15 est ensuite introduit via une entrée 20 dans la partie la plus froide de l'échangeur de chaleur principal 2 à une température sensiblement égale à la température de la sortie 11. Le courant azote réfrigérant est alors réchauffé à travers l'échangeur de chaleur principal 2 jusqu'à la sortie 21 à la température Ti.
Un courant d'azote réfrigérant 22 gazeux circule dans le circuit 7 de réfrigération en aval de la sortie 21 de l'échangeur de chaleur principal 2 à
température ambiante (c'est à dire la température mesurée dans l'espace où est placé le dispositif de mise en oeuvre du procédé objet de la présente invention.
Cette température est par exemple comprise entre -20 C et 45 C).
Par température sensiblement égale à une autre température, on entend température égale à plus ou moins 5 C.

Le gaz naturel liquéfié refroidi 26 à l'issu du procédé objet de la présente invention peut ensuite, par exemple, être transféré à un dispositif de stockage ou de transport.

Claims (11)

REVENDICATIONS
1. Procédé pour éliminer l'évaporation d'un courant de gaz naturel liquéfié
(26) lors du transfert de celui-ci dans une installation de stockage comprenant les étapes suivantes :
Etape a) : liquéfaction, au moyen d'un cycle de réfrigération (7), d'un courant de gaz naturel (1) et d'un courant d'azote (8) dans un échangeur de chaleur principal (2);
Etape b) : refroidissement du courant de gaz naturel liquéfié (6) issu de l'étape a) dans un second échangeur (15) de chaleur par circulation dudit courant de gaz naturel liquéfié (6) à contre courant d'un flux d'azote liquide (14) qui se vaporise en refroidissant ledit courant de gaz naturel liquéfié ;
caractérisé en ce que le flux d'azote liquide (14) mis en oeuvre à l'étape b) est issu de l'étape a).
2. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que le courant d'azote (19) issu de l'étape b) alimente le cycle de réfrigération (7) mis en oeuvre à l'étape a), après avoir refroidit le courant de gaz naturel liquéfié
(26), en étant introduit au niveau le plus froid (20) dudit échangeur de chaleur principal (2), puis en circulant à contre courant des courants à liquéfier au cours de l'étape a) jusqu'au niveau le plus chaud (21) dudit échangeur de chaleur principal (2) où
ledit courant d'azote est vaporisé.
3. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'au moins une partie dudit courant d'azote vaporisé (22) forme le courant d'azote (8) à
liquéfier dans l'échangeur principal (2) mis en oeuvre à l'étape a).
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes comprenant l'étape c) : détente du courant d"azote (12) liquide issu de l'étape a) après la sortie de l'échangeur principal (2) à son niveau le plus froid (11) puis introduction dudit courant ainsi détendu (14) dans le second échangeur de chaleur (15) au cours de l'étape b).
5. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le courant d'azote liquide (12) issu de l'étape a) est sous-refroidi dans le second échangeur de chaleur (15) avant l'étape c).
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cycle de réfrigération (7) est un cycle d'azote turbo-brayton.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz naturel (1) introduit à l'étape a) comprend au moins 50% en volume de méthane.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz naturel liquéfié refroidi (26) issu de l'étape b) est transféré à
une installation de stockage.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les paramètres du cycle de réfrigération sont ajustés en cours de procédé en fonction de la température souhaitée pour le courant de gaz naturel liquéfié
(26) issu de l'étape b) et en fonction de la composition dudit courant de gaz naturel.
10. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que les paramètres du cycle de réfrigération sont en ajustés en cours de procédé en fonction de la teneur en azote dudit courant de gaz naturel.
11. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le courant de gaz naturel (1) à liquéfier est introduit lors de l'étape a) au niveau le plus chaud (3) de l'échangeur de chaleur principal (2) et est évacué sous forme liquide (6) au niveau le plus froid (5) dudit échangeur principal (2) puis est introduit au cours de l'étape b) au niveau le plus chaud (24) du second échangeur de chaleur (15) et est ensuite évacué au niveau le plus froid (25) dudit second échangeur de chaleur (15).
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