EP0125980A2 - Procédé et appareil de refroidissement et liquéfaction d'au moins un gaz à bas point d'ébullition, tel que par exemple du gaz naturel - Google Patents

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EP0125980A2 EP84400906A EP84400906A EP0125980A2 EP 0125980 A2 EP0125980 A2 EP 0125980A2 EP 84400906 A EP84400906 A EP 84400906A EP 84400906 A EP84400906 A EP 84400906A EP 0125980 A2 EP0125980 A2 EP 0125980A2
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pressure
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Henri Paradowski
Didier Leroux
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Francaise dEtudes et de Construction Technip SA
Technip Energies France SAS
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Francaise dEtudes et de Construction Technip SA
Technip SA
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    • F25J2220/64—Separating heavy hydrocarbons, e.g. NGL, LPG, C4+ hydrocarbons or heavy condensates in general

Definitions

  • the subject of the present invention is a method and an apparatus for cooling and liquefying at least one gas with low boiling point, such as for example natural gas, or optionally any mixture of gases comprising at least one component with low boiling point.
  • gas with low boiling point such as for example natural gas, or optionally any mixture of gases comprising at least one component with low boiling point.
  • Liquefaction processes are also known of a natural gas by heat exchange with a refrigeration fluid with several components subjected to at least partial condensation, the condensed part of said refrigeration fluid ensuring by heat exchange the liquefaction of natural gas.
  • the condensed part (s) of said refrigeration fluid also constitutes a refrigeration fluid with several components.
  • the cooling curve of the multi-component refrigerant is in this case close to the cooling curve of natural gas.
  • the installation is simplified requiring only one compressor unit since there is only one refrigeration fluid (complex) in the installation.
  • auxiliary refrigerating fluid with one or more components to precool simultaneously or separately, the natural gas to be liquefied and the main refrigerating fluid.
  • the auxiliary and main refrigeration fluids, each circulating in a closed circuit, are each compressed by a separate compressor unit.
  • the present invention therefore aims to avoid the drawbacks of the processes of the prior art indicated above, by creating a method of cooling and liquefying natural gas for example, allowing in particular to obtain a better yield at a lower cost.
  • the subject of the present invention is a process for cooling and liquefying at least one gas with a low boiling point, such as for example natural gas, by heat exchange with at least part of a main refrigerant with several components precooled to at least partial liquefaction by heat exchange with an auxiliary refrigerant, in particular with several components, said refrigerants being part of a refrigeration cascade incorporated with at least these two refrigerants, said main refrigerant evolving according to a closed circuit cooling cycle by successively undergoing therein: at least one compression in the gaseous state, at least one preliminary cooling with at least partial condensation, in particular by heat exchange with said auxiliary refrigerant, the phases liquid and vapor thus obtained then being separated, at least one refrigeration with total liquefaction e then sub-cooling, and then expansion for subsequent heat exchange and resulting vaporization, against the current with itself and with said gas for at least partial liquefaction of the latter, the vapor thus reheated being finally recompressed and recycled, characterized in
  • a first part of the aforementioned vapor phase of the main refrigerant, condensed and sub-cooled is expanded at a first pressure, a second part being expanded at a second pressure, and a first part of the said liquid phase of the sub-cooled main coolant is expanded at said first pressure, a second portion being expanded at said second pressure.
  • the first aforementioned parts of the aforementioned vapor and liquid phases are mixed and the aforementioned second parts of said vapor and liquid phases are mixed.
  • the first aforementioned parts of the aforementioned vapor and liquid phases are mixed, and the aforementioned second parts of said vapor and liquid phases are mixed.
  • the vapor and liquid phases of the main cooling fluid obtained after the above expansion are separated before heat exchange with the aforementioned liquefied gas and the main cooling fluid before expansion.
  • the aforementioned first pressure is a low pressure less than about 1 effective bar and the aforementioned second pressure is an average pressure between about 1.5 and about 3 effective bars.
  • At least a portion of the aforementioned liquefied gas is precooled by heat exchange with at least a portion of the aforementioned auxiliary refrigerant.
  • At least a portion of the aforementioned liquefied gas is precooled by heat exchange with at least a portion of the aforementioned reheated vapor at the first or second pressure mentioned above.
  • At least a part of the aforementioned main refrigerant is precooled by heat exchange with at least a part of the aforementioned heated steam at the first or second pressure mentioned above.
  • the vapor and liquid phases are separated from the auxiliary refrigerant after expansion.
  • the above-mentioned main refrigerant has the following molar composition: and the above-mentioned auxiliary refrigerant has the following molar composition:
  • the present invention also relates to an apparatus for implementing the aforementioned method, apparatus of the type comprising at least the following circuits: an open circuit of gas to be liquefied; a closed main refrigerant circuit in heat exchange relation with said gas circuit by means of at least one cryogenic heat exchanger, and forming part of a refrigeration cascade incorporated with at least two refrigerant fluids, respectively main and auxiliary; a closed auxiliary refrigerant circuit in heat exchange relation with said main refrigerant circuit, and optionally with said liquefied gas circuit, by means of at least one cryogenic heat exchanger for at least partial precooling and liquefaction said main refrigerant; said closed main coolant circuit successively comprising: at least one compressor and optionally a heat exchanger or cooler connected to a main coolant flow path passing through said cryogenic
  • the location of each element of the above-mentioned expansion system with respect to the above-mentioned cryogenic heat exchanger of the main refrigerant circuit can be modified for each aforementioned fraction of the main refrigerant.
  • a separator of the vapor and liquid phases is provided, downstream of the abovementioned expansion member, in the flow path of the vapor fraction of the main refrigerant.
  • a heat exchanger is provided upstream of the aforementioned cryogenic heat exchanger of the main refrigerant circuit, heat exchanger which is traversed, in particular against the current, on the one hand by the main refrigerant vaporized after expansion in said heat exchanger cryogenic and, on the other hand, by at least part of the gas to be liquefied and / or the main refrigerant.
  • the aforementioned liquefied gas circuit comprises a flow path to and through the aforesaid heat exchanger of the main refrigerant circuit comprising, downstream of said exchanger, an expansion member; a bypass of said path passing through the aforementioned heat exchanger of the auxiliary refrigerant circuit before joining said flow path before said cryogenic exchanger of the main refrigerant circuit.
  • the above-mentioned auxiliary refrigerant circuit successively comprising at least one compressor, at least one exchanger-cooler with refrigerant preferably of external origin; and the aforementioned cryogenic heat exchanger being traversed by a flow path of the auxiliary refrigerant comprising, at its outlet, an expansion member, and by at least one flow path, against the current, of said refrigerant after expansion, said auxiliary refrigerant flow path in said cryogenic exchanger has at least two branches, for example three, comprising an expansion member, the part of each branch downstream of said expansion member passing through the corresponding part of said cryogenic exchanger substantially parallel at said flow path and against the current.
  • a vapor and liquid phase separator is provided in downstream of the aforementioned expansion member, the aforementioned bypass part, downstream of said separator, being divided into a flow path for the vapor phase and a flow path for the liquid phase; the flow path of the vapor phase possibly not passing through the aforementioned exchanger.
  • the open circuit of gas for example natural gas, to be liquefied
  • the closed circuit of main refrigerant fluid is designated in a manner general by the reference numeral 2
  • the closed auxiliary refrigerant circuit is designated by the reference numeral 3.
  • the closed main and auxiliary refrigerant circuits are symbolically delimited and contained within a rectangular frame drawn in line discontinuous in broken lines, and the path of the gas to be liquefied is indicated by a continuous line in thick solid line.
  • the liquefied gas circuit 1 and the main refrigerant circuit 2 are thermally combined or interconnected by means of common cryogenic heat exchangers respectively for liquefaction and gas sub-cooling 4, on the one hand, and preliminary gas cooling 5, on the other hand.
  • the main 2 and auxiliary 3 refrigerant circuits respectively are combined by means of at least one common cryogenic heat exchanger 6 for precooling and at least partial liquefaction of the main refrigerant.
  • the open circuit 1 of gas to be liquefied comprises a line 7 arriving at the pre-cooling heat exchanger 5 connected to at least one internal flow path 8 of this exchanger, the nettle of which is connected by a line 9 to an optional gas treatment apparatus 10, in particular for the extraction of ethane.
  • gas treatment apparatus 10 in particular for the extraction of ethane.
  • a nitrogen extraction device can for example be provided at the level of the cryogenic heat exchanger 4.
  • the outlet of this device 10 is connected by a line 11 at the inlet of the heat exchanger 4.
  • a bypass 12 of the pipe 7 can optionally be provided, a bypass 12 which is connected to a flow path 13 of part of the gas to be liquefied in the cryogenic heat exchanger 6 of the auxiliary refrigerant circuit, the outlet of which is connected by a flow path 14 to the pipe 11 before the entry of the heat exchanger 4.
  • the pipe 11 is connected to an internal flow path 15 passing through the cryogenic heat exchanger 4 and the downstream end is connected, at the outlet of the heat exchanger 4 to a pipe 16 of liquefied natural gas through at least one expansion member 17 such as for example an expansion valve.
  • the closed circuit 2 contains a main refrigerant consisting of a mixture of several components, at least the major part of which is advantageously formed of hydrocarbons.
  • the relative composition in moles of this refrigerant fluid can be for example the following:
  • This circuit 2 successively comprises in the direction of flow of the coolant: a first compressor 18 and a second compressor 19 of coolant in the gaseous state, each driven either separately by an individual drive machine or else jointly by a drive machine common then having their respective shafts mechanically coupled.
  • These two compressors 18, 19 are connected in series to an exchanger-cooler 20, the coolant of which is advantageously of external origin and constituted for example by water or air.
  • the compressors 21, 22 can be driven jointly or alternatively jointly with at least one of the compressors 18, 19, or separately each.
  • the outlet of the exchanger-cooler 20 is connected by a line 21 to a third compressor 22 and a fourth compressor 23 connected in series through at least one intermediate cooler 24, the coolant of which is advantageously of external origin and constituted by for example by water or air.
  • the outlet and discharge port of the compressor 23 is connected by a line 25, through an exchanger-cooler 26 (the coolant of which is advantageously of external origin, such as for example water or air ), at the inlet of the heat exchanger 6 and more precisely at the upstream end of at least one internal flow path 27 extending therein.
  • the cryogenic heat exchanger 6 of the auxiliary refrigerant circuit is advantageously a plate exchanger.
  • the downstream end of the flow path 27 is connected by a pipe 28 to at least one separator of phases 29.
  • the liquid collecting space of this phase separator is connected by a pipe 30 to the inlet of the heat exchanger 4 and more precisely to the upstream end of at least one flow path 31 extending inside the heat exchanger 4 in substantially the same direction as the internal flow path 15 of the gas to be liquefied.
  • the downstream end of the internal flow path 31 is divided, after the exit from the heat exchanger 4, into two flow paths 33, 32 respectively, connected to the inlet of expansion members 34, 35 respectively.
  • At the outlet of each expansion member 34, 35 is connected a flow path 36, 37 extending inside the cryogenic heat exchanger 4 in substantially the same direction as the internal flow path 15 of the gas to liquefy and to flow path 31, and against the current.
  • the vapor collector space of the phase separator 29 is connected by a pipe 38 to the inlet of the cryogenic heat exchanger 4 and more precisely to the upstream end of at least one other internal flow path 39 s extending substantially parallel to the flow paths 15 and 31.
  • the downstream end of this flow path 39 is divided, after the exit from the heat exchanger 4, into two flow paths 40, 41 connected to the inlet of expansion members 42, 43, respectively, the outlet of expansion members 42, 43 is connected to flow paths 44, 45, respectively, extending inside the cryogenic heat exchanger 4 in substantially the same direction as the other flow paths 15, 31, 36, 37 and 39.
  • the cryogenic heat exchanger 4 of the main refrigerant circuit 2 is a plate heat exchanger comprising, as seen above, different passageways for each of the fluids present during the heat exchange, namely the gas to be liquefied, the liquid or vapor phases or fractions of the partially condensed main refrigerant, as well as the fractions from the previous ones, expanded at different pressure levels.
  • the flow paths 36 and 44 of the fractions of the main coolant expanded at the same pressure for example an average pressure, in particular between approximately 1.5 and 3 bars, meet in one single flow path 46 which can optionally pass through the heat exchanger 5 for precooling the gas to be liquefied, in particular against the current, the downstream end of this flow path 46 being connected to the suction port of the compressor 19.
  • the flow paths 37 and 45 of the fractions of the main coolant expanded at the same pressure in particular a low pressure, for example less than about 1 effective bar meet in a single flow path 47 whose downstream end opens into the suction port of the compressor 18.
  • Circuit 3 contains an auxiliary refrigerant consisting of a mixture preferably only based on hydrocarbons, for example having the following relative molar composition:
  • the closed circuit 3 of the auxiliary refrigerant fluid successively comprises the following elements in the direction of flow of the fluid: first 48, second 49 and third 51 compressors connected in series with each other and driven either by individual motor machines or else by at least one drive machine common to at least two compressors which are then directly mechanically coupled by their respective shafts.
  • the outlet or discharge port of the second compressor 49 is connected to the inlet or suction port of the third compressor 51 by a pipe 54 through a heat exchanger-cooler 50 with cooling agent preferably of external origin such as such as water or air.
  • the outlet or discharge port of the third compressor 51 is connected by a line 55 to a condenser 52, the outlet of which is connected by a line 56 to a sub-cooler 53.
  • the outlet of the sub-cooler 53 is connected by a pipe 57 to the cryogenic heat exchanger 6, which may in particular be constituted by a plate exchanger, and more particularly to the upstream end of a flow path 58 passing through the heat exchanger 6 in a direction substantially parallel to the flow paths 13 and 27 of the gas to be liquefied and the main refrigerant, respectively.
  • the cryogenic heat exchanger 6 which may in particular be constituted by a plate exchanger, and more particularly to the upstream end of a flow path 58 passing through the heat exchanger 6 in a direction substantially parallel to the flow paths 13 and 27 of the gas to be liquefied and the main refrigerant, respectively.
  • the flow path 58 of the auxiliary refrigerant in the cryogenic heat exchanger 6 has, for example, three branches 59, 6Q and 61 provided at three different levels in the exchanger 6.
  • the three branches 59, 60 and 61 are each connected to an expansion member 62, 63 and 64, respectively, the outlet of which is connected to a vapor and liquid phase separator 65, 66 and 67, respectively.
  • the liquid collecting space of the phase separators 65, 66 and 67 is connected by a line 68, 69 and 70, respectively, to an inlet of the cryogenic heat exchanger 6 and more precisely to the upstream end of a flow path 71, 72 and 73, respectively, the major part of which extends inside the cryogenic heat exchanger 6 in a direction at least approximately parallel to the flow paths 13 of the gas to be liquefied, 27 of the main refrigerant and 58 of the auxiliary refrigerant before expansion.
  • each phase separator 65, 66, 67 are connected by a pipe 74, 75 and 76, respectively, to an inlet of the cryogenic heat exchanger 6 and more particularly at the upstream end a flow path 77, 78, 79 the major part of which extends inside the cryogenic heat exchanger 6 in substantially the same direction as the other internal flow paths 13, 27 and 58.
  • the flow path 82 is connected to the suction port of the compressor 48, the flow path 81 is connected to the suction port of the compressor 49 and the flow path 80 is connected to the port compressor 51.
  • Circuit 1 operates as follows: the gas to be liquefied, for example natural gas, arriving via line 7 at a temperature, for example, of approximately + 20 ° C. and at a pressure, for example, of approximately 42.5 bars, crosses the passageway 8 of the heat exchanger 5 to be cooled there preliminary by heat exchange with the main refrigerant vaporized after expansion in the cryogenic heat exchanger 4 and circulating in the flow path 46 in the opposite direction to direction of flow of the gas in the passageway 8. Leaving the heat exchanger 5 via line 9, the gas is then at a temperature for example of approximately -45 ° C. and at a pressure for example of around 42 bars.
  • the treatment apparatus 10 passes through the treatment apparatus 10 to reach via the pipe 11 the entry of the flow path 15 into the plate exchanger 4 to be entirely liquefied there and then sub-cooled by heat exchange with the main refrigerant. .
  • the liquefied gas is at a temperature, for example, of approximately -154 ° C. and at a pressure, for example, of approximately 41.5 bars. It is then expanded in the expansion valve 17 and then transferred to the place of conservation or storage of liquefied natural gas or to a place of treatment or use thereof.
  • Part of the gas to be liquefied can also be previously cooled by heat exchange with the auxiliary refrigerant in the cryogenic heat exchanger 6, this part then being combined with the rest of the gas to be liquefied before it enters the cryogenic heat exchanger 4 .
  • Cycle 2 of the main refrigerant operates in the following manner: the part of the main refrigerant expanded at low pressure is sucked in the gaseous state, at a temperature for example of approximately -52 ° C. and at a pressure for example d '' about 0.08 bar by the first compressor 18 from which it is discharged at an average pressure of approximately for example 2 bars and at a temperature of approximately for example 10 ° C., then it is sucked in by the second compressor 19, at the same time as the part of the main coolant relaxed at an average pressure equal for example to about 2 bars and whose temperature is for example about 10 ° C.
  • the assembly is discharged from the compressor 19 at a temperature equal for example to approximately 71 ° C.
  • the exchanger-cooler 20 in which the temperature of the main refrigerant is lowered at about, for example, 15 ° C. Via the flow path 21, it then enters the suction port of the compressor 22, passes through the exchanger-cooler 24 then is compressed in the compressor 23 and, via the flow path 25, passes through the exchanger of heat 26.
  • the main refrigerant is for example at a temperature of approximately 15 ° C. and at a pressure of approximately 27.4 bars. It then enters the flow path 27 of the cryogenic heat exchanger 6 where the main cooling fluid is cooled by heat exchange with the auxiliary cooling fluid so as to at least partially liquefy.
  • the main refrigerant thus at least partially condensed at a temperature for example of around -50 ° C. and at a pressure for example of around 26.5 bars, then leaves the heat exchanger 6 in the form of a mixture of gaseous and liquid phases respectively which are then separated in the phase separator 29.
  • the gaseous phase is brought by line 38 into the segment of the flow path 39 located in the cryogenic heat exchanger 4 to be there liquefied and then sub-cooled to a temperature for example of around -154 ° C.
  • Part of this liquefied and sub-cooled gaseous phase flows in the channel 41 and is expanded in the expansion member 43 to a pressure for example of approximately 0.3 bar, its temperature being for example of approximately - 156 ° C.
  • the temperature and pressure conditions are for example around -52 ° C and around 0.08 bar, respectively .
  • the other part of the liquefied and sub-cooled gaseous phase flows through the channel 40 and is expanded in the expansion member 42 to a pressure for example of about 2.3 bars, its temperature being about -153 ° C.
  • the temperature and pressure conditions are, for example, as follows: -152 ° C and 2.10 bars.
  • the liquid phase of the main refrigerant coming from the phase separator 29 is brought via line 30 into the flow path 31 of the cryogenic heat exchanger 4 to be sub-cooled there to a temperature by example of approximately -154 ° C, at a pressure for example of approximately 26 bars.
  • Part of the sub-cooled liquid phase of the main cooling fluid passes through the expansion member 35 where its pressure is reduced to, for example, approximately 0.3 bar; while another part of the sub-cooled liquid phase flowing in the channel 33 is expanded in the expansion member 34 at a pressure of about 2.3 bars, its temperature being about for example -153 ° C.
  • the first and second aforementioned parts of the liquid phase of the refrigerant main have the following temperature and pressure conditions: -52 ° C and 0.08 bar, and -52 ° C and 2.10 bar, respectively.
  • a first part of the vapor phase of the main refrigerant, condensed and sub-cooled is expanded at a first pressure, a second part being expanded at a second pressure, and a first part of the aforementioned liquid phase.
  • main, sub-cooled refrigerant is expanded at said first pressure, a second portion being expanded at said second pressure.
  • the vapor and liquid phases can be divided into a desired number of parts, for example three or more, the pressure at which a part of the liquid phase being expanded corresponds to the pressure at which a corresponding portion of the vapor phase.
  • the first parts of the vapor and liquid phases are mixed, and the second parts of said vapor and liquid phases are mixed.
  • Another possibility consists in mixing the first parts of the vapor and liquid phases, and in mixing the second parts of the vapor and liquid phases after expansion but before vaporization (embodiment illustrated in FIG. 5).
  • the part of the main refrigerant vaporized at low pressure is admitted by the flow path 47 into the suction port of the compressor 18, while the part of the main refrigerant vaporized at medium pressure is admitted by the path d 'flow 46, and possibly after having passed through the heat exchanger 5 for precooling the gas to be liquefied, in the suction orifice of the compressor 19.
  • the auxiliary refrigerant cycle 3 is as follows: the auxiliary refrigerant, in the gaseous state, leaving the compressor group 48, 49, 51 is for example at a temperature of approximately + 46 ° C and at a pressure for example around 16 bars. After passing through the cooler exchangers 52 and 53, the temperature of the auxiliary refrigerant is approximately + 13 ° C., while its pressure is approximately 15.1 bars. The part of the auxiliary refrigerating fluid diverted in the flow path 59 is at a temperature for example of approximately 0 ° C. and at a pressure for example of approximately 15 bars. After expansion in the expansion member 62, the temperature drops to, for example, approximately -6.5 ° C and the pressure to, for example, approximately 8.5 bars.
  • the temperature and pressure conditions of the second part of the auxiliary refrigerant flowing through the bypass 60 are as follows: for example about -25 ° C and for example about 14.5 bars. After expansion in the expansion member 63, the temperature is lowered to, for example, approximately -29 ° C and the pressure to, for example, approximately 4 bars.
  • the vapor and liquid phases thus obtained flow in the flow paths 78 and 72, respectively, in the exchanger 6 so as to participate in the heat exchange with the other fluids flowing in said exchanger 6, then are gathered after the exit of said exchanger 6 in the flow path 81.
  • the temperature and pressure conditions of this part of the auxiliary refrigerant are then as follows: for example around -3 ° C. and for example around 3.9 bars. This part of the auxiliary refrigerant is introduced into the suction port of the compressor 49.
  • a third part of the auxiliary cooling fluid flows in the flow path 61 at a temperature for example of around -50 ° C. and a pressure for example of around 14.2 bars.
  • these temperature and pressure conditions change as follows: for example approximately -54 ° C. and for example approximately 1.1 bars.
  • the vapor and liquid phases thus obtained are separated in the phase separator 67 and then flow through the flow paths 73 and 79 in the heat exchanger 6 to participate in the heat exchange with the other fluids which circulate there.
  • These vapor and liquid phases, once united, after leaving the exchanger 6, are at a temperature for example of around -28 ° C. and at a pressure for example of around 0.90 bar.
  • This third part of the auxiliary refrigerant is introduced into the suction port of the compressor 48 by the flow path 82.
  • FIG. 2 representing an alternative embodiment of the apparatus according to the invention, only a part of it has been shown framed in dashed lines in FIG. 1; the rest of the device. being identical.
  • the vapor phase of the main condensing fluid condensed and sub-cooled in the exchanger 4 is expanded, in one go, by the expansion member 83 at a first pressure.
  • the liquid phase of the main refrigerant sub-cooled in the exchanger 4 is expanded, at once, to a second pressure different from said first pressure, in the expansion member 84.
  • the vapor phase, expanded for example to a low pressure, less than about 1 effective bar, is conducted, through the heat exchanger 4, through the flow path 85, to the suction port of the first condenser 18; while the liquid phase of the main refrigerant, expanded to an average pressure, in particular between approximately 1.5 and approximately 3 bars, is conveyed, through the exchanger 4, by the flow path 86 to the orifice suction of the second compressor 19.
  • the general operation of the apparatus for cooling and liquefying a gas with low boiling point, such as for example natural gas, comprising the variant of the figure 2 is similar to that of the apparatus according to FIG. 1.
  • FIG. 3 representing another variant of the same part (indicated by a dashed line frame in FIG. 1), of the apparatus as in FIG. 2.
  • the gaseous and liquid phases thus obtained are separated in a phase separator 87 before crossing again, against -current, the cryogenic heat exchanger 4.
  • the two phases are combined in the same flow path 89 connected to the suction port of the compressor 18, the vapor phase is therefore, in this case, relaxed at the aforementioned low pressure.
  • the sub-cooled liquid phase of the main cooling fluid is expanded in the expansion member 84, and flows against the current in the exchanger 4 at the outlet of which is connected the flow path 90 itself connected to the compressor suction port 19.
  • the vapor phase coming from the separator 87 may not pass back into the exchanger 4 but be introduced directly into the pipe 89.
  • FIG. 6 illustrates the application of this variant to the auxiliary refrigeration circuit.
  • the pipes 74, 75, 76 coming from the vapor collecting space of the separators 65, 66, 67 are connected directly to the flow paths 80, 81, 82 without passing through the exchanger 6.
  • Figure 4 is a view of an alternative embodiment of the part of the apparatus framed in broken lines in Figure 1, similar to the variant illustrated in Figure 2.
  • the location of each element of the system expansion 83, 84 relative to the cryogenic heat exchanger 4 of the main refrigerant circuit 2, instead of being at the outlet of the exchanger 4, may be provided, at any location, along the exchanger 4, in the direction of flow of the various fluids.
  • the flow path 31 of the liquid phase of the main cooling fluid does not cross the entire exchanger 4. This makes it possible to achieve expansion at different temperature levels, in the case, after the valve, the temperature could be higher.
  • the displacement of the expansion according to a temperature gradient corresponds to a displacement of the expansion member along the exchanger, in the direction of flow of the fluids.
  • FIG. 5 illustrates an alternative embodiment in which the first parts of the vapor and liquid phases are mixed and the second parts of said vapor and liquid phases are mixed, after expansion, in the valves 83, 84 '; 83 ', 84, respectively, but before recirculation against the current, in the exchanger 4.
  • Molar composition molar percentage vaporized in the phase separator 29: 20%.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé et un appareil de liquéfaction d'un gaz à bas point d'ébullition, tel que du gaz naturel, par échange de chaleur avec un fluide réfrigérant, à plusieurs composants. Selon l'invention, la phase vapeur du fluide réfrigérant principal, condensée et sous-refroidie est détendue, en une fois, à au moins une première pression, et la phase liquide du fluide réfrigérant principal sous-refroidie est détendue, en une fois, à au moins une deuxième pression, différente de ladite première pression. La présente invention s'applique notamment à la liquéfaction du gaz naturel.

Description

  • La présente invention a pour objet un procédé et un appareil de refroidissement et de liquéfaction d'au moins un gaz à bas point d'ébullition, tel que par exemple du gaz naturel, ou éventuellement tout mélange de gaz comportant au moins un composant à bas point d'ébullition.
  • On connaît déjà des procédés de liquéfaction par exemple de gaz naturel dans.lesquels le gaz naturel est graduellement liquéfié par échanges de chaleur successifs avec plusieurs fluides de réfrigération ayant des points d'ébullition décroissants. Un tel procédé dit "en cascade" nécessite l'utilisation d'un grand nombre d'échangeurs, de compresseurs, de pompes, etc. pour assurer la circulation en circuit fermé de chacun des fluides de réfrigération. L'installation est donc complexe et la multiplicité des équipements diminue la fiabilité de l'ensemble. En outre, les courbes de refroidissement de ces fluides de réfrigération ne suivent pas l'allure continue de la courbe de refroidissement du gaz naturel, ce qui entraîne une baisse des rendements et donc des pertes d'énergie importantes.
  • On connaît également des procédés de liquéfaction d'un gaz naturel par échange de chaleur avec un fluide de réfrigération à plusieurs composants soumis à au moins une condensation partielle, la partie condensée dudit fluide de réfrigération assurant par échange de chaleur la liquéfaction du gaz naturel. La (ou les ) partie(s) condensée(s) dudit fluide de réfrigération constitue(nt) également un fluide de réfrigération à plusieurs composants. La courbe de refroidissement du fluide de réfrigération a plusieurs composants est dans ce cas proche de la courbe de refroidissement du gaz naturel. De plus, l'installation est simplifiée ne nécessitant qu'un seul groupe compresseur puisqu'il n'y a qu'un seul fluide de réfrigération (complexe) dans l'installation.
  • Il est également connu de se servir d'un fluide de réfrigération auxiliaire à un ou plusieurs composants pour prérefroidir simultanément ou séparément, le gez naturel à liquéfier et le fluide de réfrigération principal. Les fluides de réfrigération auxiliaire et principal circulant chacun en circuit fermé sont comprimés chacun par un groupe compresseur distinct.
  • Ces procédés avec réfrigérants à plusieurs composants utilisent des échangeurs du type bobiné afin d'obtenir un bon rendement et plus particulièrement une homogénéité correcte du mélange liquide-vapeur lors de sa distribution en tête d'échangeur et pendant sa vaporisation le long de l'échangeur. Malheureusement, ces échangeurs restent des appareils coûteux, volumineux et lourds.
  • La présente invention a donc pour but d'éviter les inconvénients des procédés de l'art antérieur indiqués ci-dessus, en créant un procédé de refroidissement et de liquéfaction de gaz naturel par exemple, permettant notamment d'obtenir un meilleur rendement à un coût plus bas.
  • Dans cet esprit, la présente invention a pour objet un procédé de refroidissement et de liquéfaction d'au moins un gaz à bas point d'ébullition, tel que par exemple du gaz naturel, par échange de chaleur avec au moins une partie d'un fluide réfrigérant principal à plusieurs composants prérefroidi jusqu'à sa liquéfaction au moins partielle par échange thermique avec un fluide réfrigérant auxiliaire, notamment à plusieurs composants, lesdits fluides réfrigérants faisant partie d'une cascade frigorifique incorporée d'au moins ces deux fluides réfrigérants, ledit fluide réfrigérant principal évoluant selon un cycle de refroidissement en circuit fermé en y subissant successivement : au moins une compression à l'état gazeux, au moins un refroidissement préliminaire avec condensation au moins partielle, notamment par échange thermique avec ledit fluide réfrigérant auxiliaire, les phases liquide et vapeur ainsi obtenues étant ensuite séparées, au moins une réfrigération avec liquéfaction totale puis sous-refroidissement, et ensuite détente pour échange de chaleur subséquent et vaporisation résultante, à contre-courant avec lui-même et avec ledit gaz pour liquéfaction au moins partielle de ce dernier, la vapeur ainsi réchauffée étant finalement recomprimée et recyclée, caractérisé en ce que ladite phase vapeur du fluide réfrigérant principal condensée et sous-refroidie est détendue, en une fois, à au moins une première pression et en ce que ladite phase liquide du fluide réfrigérant principal sous-refroidie est détendue, en une fois, à au moins une deuxième pression, différente de ladite première pression.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, une première partie de la phase vapeur précitée du fluide refrigérant principal, condensée et sous-refroidie est détendue à une première pression, une deuxième partie étant détendue à une deuxième pression, et une première partie de la phase liquide précitée du fluide réfrigérant principal sous-refroidie est détendue à ladite première pression, une deuxième partie étant détendue à ladite deuxième pression.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, après la vaporisation précitée, les premières parties précitées des phases vapeur et liquide précitées sont mélangées et les deuxièmes parties précitées desdites phases vapeur et liquide sont mélangées.
  • Selon encore une autre caractéristique de l'invention, après la détente précitée, et avant la vaporisation précitée, les premières parties précitées des phases vapeur et liquide précitées sont mélangées, et les deuxièmes parties précitées desdites phases vapeur et liquide sont mélangées.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, les phases vapeur et liquide du fluide réfrigérant principal obtenues après la détente précitée sont séparées avant échange de chaleur avec le gaz à liquéfier précité et le fluide réfrigérant principal avant détente.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, la première pression précitée est une basse pression inférieure à environ 1 bar effectif et la deuxième pression précitée est une pression moyenne comprise entre environ 1,5 et environ 3 bars effectifs.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, au moins une partie du gaz à liquéfier précité est prérefroidie par échange thermique avec au moins une partie du fluide réfrigérant auxiliaire précité.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, au moins une partie du gaz à liquéfier précité est prérefroidie par échange thermique avec au moins une partie de la vapeur réchauffée précitée à la première ou la deuxième pression précitée.
  • Selon encore une autre caractéristique de l'invention, au moins une partie du fluide réfrigérant principal précité est prérefroidie par échange thermique avec au moins une partie de la vapeur réchauffée précitée à la première ou Ta deuxième pression précitée.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, le fluide réfrigérant auxiliaire précité évoluant selon un cycle de refroidissement en circuit fermé en y subissant successivement : au moins une compression à l'état gazeux; au moins un refroidissement préliminaire avec éventuellement condensation au moins partielle par échange thermique avec un agent refroidisseur de préférence d'origine externe; au moins une auto-réfrigération avec liquéfaction totale puis sous-refroidissement et ensuite détente pour échange de chaleur subséquent et vaporisation résultante concomitante à contre-courant avec lui-même avant sa détente et avec le fluide réfrigérant principal, et éventuellement le gaz à liquéfier; la vapeur ainsi réchauffée étant recyclée et recomprimée, la détente du fluide réfrigérant auxiliaire, avant vaporisation, s'effectue à au moins deux niveaux de pression, notamment à trois niveaux de pression.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, on sépare les phases vapeur et liquide, du fluide réfrigérant auxiliaire après détente.
  • Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le fluide réfrigérant principal précité a la composition molaire suivante :
    Figure imgb0001
    et le fluide réfrigérant auxiliaire précité a la composition molaire suivante :
    Figure imgb0002
    La présente invention a également pour objet un appareil pour la mise en oeuvre du procédé précité, appareil du type comprenant au moins les circuits suivants : un circuit ouvert de gaz à liquéfier; un circuit fermé de fluide réfrigérant principal en relation d'échange thermique avec ledit circuit de gaz au moyen d'au moins un échangeur de chaleur cryogénique, et faisant partie d'une cascade frigorifique incorporée d'au moins deux fluides réfrigérants, respectivement principal et auxiliaire; un circuit fermé de fluide réfrigérant auxiliaire en relation d'échange thermique avec ledit circuit de fluide réfrigérant principal, et éventuellement avec ledit circuit de gaz à liquéfier, au moyen d'au moins un échamgeur de chaleur cryogénique de prérefroidissement et de liquéfaction au moins partielle dudit fluide réfrigérant principal; ledit circuit fermé de fluide réfrigérant principal comprenant successivement : au moins un compresseur et éventuellement un échangeur de chaleur ou refroidisseur relié à une voie d'écoulement du fluide réfrigérant principal traversant ledit échangeur cryogénique du circuit de fluide réfrigérant auxiliaire, un séparateur des phases vapeur et liquide ainsi obtenues, ledit échangeur de chaleur cryogénique et un système de détente, comprenant un organe de détente dans la voie d'écoulement de chaque fraction du fluide réfrigérant principal, relié audit compresseur, et caractérisé en ce que ledit échangeur de chaleur cryogénique dudit circuit de fluide réfrigérant principal est un échangeur à plaques comportant des voies de passage différentes pour chacun des fluides en présence lors de l'échange thermique, à savoir le gaz à liquéfier, les phases ou fractions liquide et vapeur du fluide réfrigérant principal partiellement condensé, ainsi que les fractions, issues des précédentes, détendues à différents niveaux de pression.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, l'emplacement de chaque élément du système de détente précité par rapport à l'échangeur de chaleur cryogénique précité du circuit de fluide réfrigérant principal est modifiable pour chaque fraction précitée du fluide réfrigérant principal.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, un séparateur des phases vapeur et liquide est prévu, en aval de l'organe de détente précité, dans la voie d'écoulement de la fraction vapeur du fluide réfrigérant principal.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, un échangeur de chaleur est prévu en amont de l'échangeur de chaleur cryogénique précité du circuit de fluide réfrigérant principal, échangeur de chaleur qui est traversé, notamment à contre-courant, d'une part par le fluide réfrigérant principal vaporisé après détente dans ledit échangeur de chaleur cryogénique et, d'autre part, par au moins une partie du gaz à liquéfier et/ou du fluide réfrigérant principal.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, le circuit de gaz à liquéfier précité comprend une voie d'écoulement vers et à travers l'échangeur de chaleur précité du circuit de fluide réfrigérant principal comportant, en aval dudit échangeur, un organe de détente; une dérivation de ladite voie traversant l'échangeur de chaleur précité du circuit de fluide réfrigérant auxiliaire avant de rejoindre ladite voie d'écoulement avant ledit échangeur cryogénique du circuit de fluide réfrigérant principal.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, le circuit de fluide réfrigérant auxiliaire précité comprenant successivement au moins un compresseur, au moins un échangeur-refroidisseur à fluide réfrigérant de préférence d'origine externe; et l'échangeur de chaleur cryogénique précité étant traversé par une voie d'écoulement du fluide réfrigérant auxiliaire comportant, à sa sortie, un organe de détente, et par au moins une voie d'écoulement, à contre-courant, dudit fluide réfrigérant après détente, ladite voie d'écoulement du fluide réfrigérant auxiliaire dans ledit échangeur cryogénique présente au moins deux dérivations par exemple trois, comportant un organe de détente, la partie de chaque dérivation en aval dudit organe de détente traversant la partie correspondante dudit échangeur cryogénique sensiblement parallèlement à ladite voie d'écoulement et à contre-courant.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, un séparateur de phases vapeur et liquide est prévu en aval de l'organe de détente précité, la partie de dérivation précitée, en aval dudit séparateur, étant divisée en une voie d'écoulement de la phase vapeur et une voie d'écoulement de la phase liquide; la voie d'écoulement de la phase vapeur pouvant ne pas traverser l'échangeur précité.
  • Le procédé et l'appareil décrits ci-dessus présentent un grand nombre d'avantages parmi lesquels on peut citer :
    • - une flexibilité remarquable autorisant des conditions de fonctionnement très différentes, par exemple un changement de la nature du gaz à liquéfier tout en conservant un rendement thermodynamique élevé; cette flexibilité apparaissant aussi bien au stade de la conception du schéma de procédé qu'au stade de la mise en oeuvre de l'unité de liquéfaction;
    • - une adaptation particulière à l'utilisation des échangeurs à plaques ce qui permet un investissement modéré pour la zone d'échange cryogénique allié à une conception modulaire facilitant le transport et l'implantation sur barge par exemple;
    • - un schéma de procédé suffisamment évolutif pour répondre à divers besoins particuliers tels que réchauffage des aspirations du compresseur du cycle principal, traitements intermédiaires du gaz naturel en cours de liquéfaction.
  • La flexibilité du procédé repose sur les caractéristiques suivantes du fluide réfrigérant principal :
    • -pourcentages molaires d'azote, de méthane, de propane et d'hydrocarbures plus lourds;
    • - pourcentage molaire de vapeur après condensation partielle dans le cycle de réfrigération auxiliaire;
    • - pressions de vaporisation de différentes fractions à l'état liquide sous-refroidi;
    • - répartition de chacune des fractions liquides sous- refroidies entre les différents niveaux de pression.
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description explicative qui va suivre faite en se référant aux dessins schématiques annexés illustrant des modes de réalisation actuellement préférés de l'invention et dans lesquels :
    • La figure 1 est un diagramme schématique d'un appareil de refroidissement et de liquéfaction d'un gaz à bas point d'ébullition tel que par exemple du gaz naturel, selon l'invention.
    • La figure 2 est une vue schématique d'une première variante de réalisation de l'échangeur cryogénique du circuit de fluide réfrigérant principal selon l'invention. ,
    • La figure 3 est une vue schématique d'une deuxième variante de réalisation de l'échangeur cryogénique du circuit de fluide réfrigérant principal.
    • La figure 4 est une vue schématique d'une troisième variante de réalisation de l'échangeur cryogénique du circuit de fluide réfrigérant principal.
    • La figure 5 est une vue schématique d'une autre variante de réalisation de l'appareil selon l'invention.
    • La figure 6 est une vue schématique d'une variante de réalisation du circuit de réfrigérant auxiliaire.
  • Sur les différentes figures, les mêmes chiffres de référence sont utilisés pour désigner des éléments ou parties identiques ou similaires et les valeurs numériques de pression indiquées à titre d'exemple, sont exprimées en bars effectifs.
  • En se référant en particulier à la figure 1, le circuit ouvert de gaz, par exemple naturel, à liquéfier, est désigné d'une façon générale par le repère 1, tandis que le circuit fermé de fluide réfrigérant principal est désigné d'une manière générale par le chiffre de référence 2 et le circuit fermé de fluide réfrigérant auxiliaire est désigné par le chiffre de référence 3. Les circuits fermés de fluides réfrigérants principal et auxiliaire sont symboliquement délimités et contenus à l'intérieur d'un cadre rectangulaire tracé en ligne discontinue en traits mixtes, et le trajet du gaz à liquéfier est indiqué par une ligne continue en trait plein épais. Le circuit de gaz à liquéfier 1 et le circuit de fluide réfrigérant principal 2 sont thermiquement combinés ou interconnectés par l'intermédiaire d'échangeurs de chaleur cryogéniques communs respectivement de liquéfaction et de sous-refroidissement de gaz 4, d'une part, et de refroidissement préliminaire de gaz 5, d'autre part. Les circuits de fluides réfrigérants respectivement principal 2 et auxiliaire 3 sont combinés par l'intermédiaire d'au moins un échangeur de chaleur cryogénique commun 6 de prérefroidissement et de liquéfaction au moins partielle du fluide réfrigérant principal.
  • Le circuit ouvert 1 de gaz à liquéfier comprend une conduite 7 d'arrivée à l'échangeur de chaleur de refroidissement préalable 5 reliée à au moins une voie d'écoulement intérieure 8 de cet échangeur dont la s'ortie est reliée par une conduite 9 à un appareil facultatif 10 de traitement de gaz, notamment pour l'extraction de l'éthane. On peut bien sûr prévoir d'autres appareils de traitement du gaz, notamment un appareil d'extraction de l'azote peut être par exemple prévu au niveau de l'échangeur de chaleur cryogénique 4. La sortie de cet appareil 10 est reliée par une conduite 11 à l'entrée de l'échangeur de chaleur 4.
  • Une dérivation 12 de la conduite 7 peut être éventuellement prévue, dérivation 12 qui est reliée à une voie d'écoulement 13 d'une partie du gaz à liquéfier dans l'échangeur de chaleur cryogénique 6 du circuit de fluide réfrigérant auxiliaire, dont la sortie est reliée par une voie d'écoulement 14 à la conduite 11 avant l'entrée de l'échangeur de chaleur 4. La conduite 11 est reliée à une voie d'écoulement interne 15 traversant l'échangeur de chaleur cryogénique 4 et dont l'extrémité aval se raccorde, à la sortie de l'échangeur de chaleur 4 à une conduite 16 de gaz naturel liquéfié à travers au moins un organe de détente 17 tel que par exemple une vanne de détente.
  • Le circuit fermé 2 contient un fluide réfrigérant principal constitué par un mélange de plusieurs composants dont au moins la majeure partie est avantageusement formée d'hydrocarbures. La composition relative en moles de ce fluide réfrigérant peut être par exemple la suivante:
    Figure imgb0003
    Figure imgb0004
  • Ce circuit 2 comprend successivement dans le sens d'écoulement du fluide réfrigérant : un premier compresseur 18 et un deuxième compresseur 19 de fluide réfrigérant à l'état gazeux, entraînés soit chacun séparément par une machine motrice individuelle ou bien ensemble conjointement par une machine motrice commune en ayant alors leurs arbres respectifs accouplés mécaniquement. Ces deux compresseurs 18, 19 sont reliés en série à un échangeur-refroidisseur 20 dont le fluide refroidisseur est avantageusement d'origine externe et constitué par exemple par de l'eau ou de l'air. Les compresseurs 21, 22 peuvent être entraînés conjointement ou encore conjointement avec au moins l'un des compresseurs 18, 19, ou séparément chacun. La sortie de l'échangeur-refroidisseur 20 est reliée par une conduite 21 à un troisième compresseur 22 et un quatrième compresseur 23 reliés en'série à travers au moins un refroidisseur intermédiaire 24 dont le fluide refroidisseur est avantageusement d'origine externe et constitué par exemple par de l'eau ou de l'air. L'orifice de sortie et de refoulement du compresseur 23 est relié par une conduite 25, à travers un échangeur-refroidisseur 26 (dont le fluide refroidisseur est avantageusement d'origine externe, tel que par exemple de l'eau ou de l'air), à l'entrée de l'échangeur de chaleur 6 et plus précisément à l'extrémité amont d'au moins une voie d'écoulement interne 27 s'étendant dans celui-ci. L'échangeur de chaleur cryogénique 6 du circuit de fluide réfrigérant auxiliaire est avantageusement un échangeur à plaques. A la sortie de l'échangeur de chaleur 6, l'extrémitéaval de la voie d'écoulement 27 est reliée par une conduite 28 à au moins un séparateur de phases 29. L'espace collecteur de liquide de ce séparateur de phases est relié par une conduite 30 à l'entrée de l'échangeur de chaleur 4 et plus précisément à l'extrémité amont d'au moins une voie d'écoulement 31 s'étendant à l'intérieur de l'échangeur de chaleur 4 dans sensiblement la même direction que la voie d'écoulement interne 15 du gaz à liquéfier. L'extrémité aval de la voie d'écoulement interne 31 est divisée, après la sortie de l'échangeur de chaleur 4, en deux voies d'écoulement 33, 32 respectivement, raccordées à l'entrée d'organes de détente 34, 35 respectivement. A la sortie de chaque organe de détente 34, 35 est reliée une voie d'écoulement 36, 37 s'étendant à l'intérieur de l'échangeur de chaleur cryogénique 4 dans sensiblement la même direction que la voie d'écoulement interne 15 du gaz à liquéfier et à la voie d'écoulement 31, et à contre-courant.
  • L'espace collecteur de vapeur du séparateur de phases 29 est relié par une conduite 38 à l'entrée de l'échangeur de chaleur cryogénique 4 et plus précisément à l'extrémité amont d'au moins une autre voie d'écoulement interne 39 s'étendant sensiblement parallèlement aux voies d'écoulement 15 et 31. L'extrémité aval de cette voie d'écoulement 39 est divisée, après la sortie de l'échangeur de chaleur 4, en deux voies d'écoulement 40, 41 reliées à l'entrée d'organes de détente 42, 43, respectivement, la sortie des organes de détente 42, 43 est reliée à des voies d'écoulement 44, 45, respectivement, s'étendant à l'intérieur de l'échangeur de chaleur cryogénique 4 dans sensiblement la même direction que les autres voies d'écoulement 15, 31, 36, 37 et 39.
  • Selon l'invention, l'échangeur de chaleur cryogénique 4 du circuit de fluide réfrigérant principal 2 est un échangeur à plaques comportant, comme on l'a vu ci-dessus, des voies de passage différentes pour chacun des fluides en présence lors de l'échange thermique, à savoir le gaz à liquéfier, les phases ou fractions liquide et vapeur du fluide réfrigérant principal partiellement condensé, ainsi que les fractions issues des précédentes, détendues à différents niveaux de pression.
  • Après la sortie de l'échangeur cryogénique 4, les voies d'écoulement 36 et 44 des fractions du fluide réfrigérant principal détendues à une même pression, par exemple une pression moyenne, notamment comprise entre environ 1,5 et 3 bars se réunissent en une voie d'écoulement unique 46 qui peut éventuellement traverser l'échangeur de chaleur 5 de prérefroidissement du gaz à liquéfier, notamment à contre-courant, l'extrémité aval de cette voie d'écoulement 46 étant reliée à l'orifice d'aspiration du compresseur 19. 'De même, après la sortie de l'échangeur de chaleur cryogénique 4, les voies d'écoulement 37 et 45 des fractions du fluide réfrigérant principal détendues à une même pression, notamment une basse pression, par exemple inférieure à environ 1 bar effectif se réunissent en une voie d'écoulement unique 47 dont l'extrémité aval débouche dans-l'orifice d'aspiration du compresseur 18.
  • Le circuit 3 contient un fluide réfrigérant auxiliaire constitué par un mélange de préférence uniquement à base d'hydrocarbures ayant par exemple la composition molaire relative suivante :
    Figure imgb0005
    Le circuit fermé 3 du fluide réfrigérant auxiliaire comporte successivement les éléments suivants dans le sens d'écoulement du fluide : des premier 48, deuxième 49 et troisième 51 compresseurs reliés en série les uns aux autres et entraînés soit respectivement par des machines motrices individuelles ou bien par au moins une machine motrice commune à au moins deux compresseurs qui sont alors directement accouplés mécaniquement par leurs arbres respectifs. L'orifice de sortie ou de refoulement du deuxième compresseur 49 est relié à l'orifice d'entrée ou d'aspiration du troisième compresseur 51 par une conduite 54 à travers un échangeur-refroidisseur 50 à agent refroidisseur de préférence d'origine externe tel que par exemple de l'eau ou de l'air. L'orifice de sortie ou de refoulement du troisième compresseur 51 est raccordé par une conduite 55 à un condenseur 52 dont la sortie est raccordée par une conduite 56 à un sous-refroidisseur 53.
  • La sortie du sous-refroidisseur 53 est raccordée par une conduite 57 à l'échangeur de chaleur cryogénique 6, qui peut être notamment constitué par un échangeur à plaques, et plus particulièrement à l'extrémité amont d'une voie d'écoulement 58 traversant l'échangeur de chaleur 6 dans une direction sensiblement parallèle aux voies d'écoulement 13 et 27 du gaz à liquéfier et du fluide réfrigérant principal, respectivement.
  • La voie d'écoulement 58 du fluide réfrigérant auxiliaire dans l'échangeur de chaleur cryogénique 6 présente, par exemple, trois dérivations 59, 6Q et 61 prévues à trois niveaux différents dans l'échangeur 6. Les trois dérivations 59, 60 et 61 sont reliées chacune à un organe de détente 62, 63 et 64, respectivement, dont la sortie est reliée à un séparateur de phases vapeur et liquide 65, 66 et 67, respectivement. Dans les trois cas, l'espace collecteur de liquide des séparateurs de phases 65, 66 et 67 est relié par une conduite 68, 69 et 70, respectivement, à une entrée de l'échangeur de chaleur cryogénique 6 et plus précisément à l'extrémité amont d'une voie d'écoulement 71, 72 et 73, respectivement, dont la majeure partie s'étend à l'intérieur de l'échangeur de chaleur cryogénique 6 dans une direction au moins approximativement parallèle aux voies d'écoulement 13 du gaz à liquéfier, 27 du fluide réfrigérant principal et 58 du fluide réfrigérant auxiliaire avant détente. De même, les espaces collecteurs de vapeur de chaque séparateur de phases 65, 66, 67 sont reliés par une conduite 74, 75 et 76, respectivement, à une entrée de l'échangeur de chaleur cryogénique 6 et plus particulièrement à l'extrémité amont d'une voie d'écoulement 77, 78, 79 dont la majeure partie s'étend à l'intérieur de l'échangeur de chaleur cryogénique 6 dans sensiblement la même direction que les autres voies d'écoulement internes 13, 27 et 58. Après être sorties de l'échangeur 6, les voies d'écoulement 71 et 77, 72 et 78, 73 et 79, respectivement, se réunissant en une seule voie d'écoulement, 80, 81 et 82 respectivement. La voie d'écoulement 82 est reliée à l'orifice d'aspiration du compresseur 48, la voie d'écoulement 81 est reliée à l'orifice d'aspiration du compresseur 49 et la voie d'écoulement 80 est reliée a l'orifice d'aspiration du compresseur 51.
  • Le circuit 1 fonctionne de la façon suivante : le gaz à liquéfier par exemple du gaz naturel, arrivant par la conduite 7 à une température par exemple d'environ +20°C et à une pression par exemple d'environ 42,5 bars, traverse la voie de passage 8 de l'échangeur de chaleur 5 pour y être refroidi préliminairement par échange thermique avec le fluide réfrigérant principal vaporisé après détente dans l'échangeur de chaleur cryogénique 4 et circulant dans la voie d'écoulement 46 en sens contraire au sens d'écoulement du gaz dans la voie de passage 8. En quittant l'échangeur de chaleur 5 par la conduite 9, le gaz est alors à une température par exemple d'environ -45°C et à une pression par exemple d'environs 42 bars. Il traverse ensuite l'appareil de traitement 10 pour parvenir par la conduite 11 à l'entrée de la voie d'écoulement 15 dans l'échangeur à plaques 4 pour y être entièrement liquéfié puis sous-refroidi par échange thermique avec le fluide réfrigérant principal. A sa sortie de l'échangeur de chaleur 4, le gaz liquéfié est à une température par exemple d'environ -154°C et à une pression par exemple d'environ 41,5 bars. Il est ensuite détendu dans la vanne de détente 17 puis transféré au lieu de conservation ou de stockage de gaz naturel liquéfié ou à un lieu de traitement ou d'utilisation de celui-ci.
  • Une partie du gaz à liquéfier peut être également préalablement refroidie par échange thermique avec le fluide réfrigérant auxiliaire dans l'échangeur de chaleur cryogénique 6, cette partie étant ensuite combinée au reste du gaz à liquéfier avant son entrée dans l'échangeur de chaleur cryogénique 4.
  • Le cycle 2 du fluide réfrigérant principal fonctionne de la façon suivante : la partie du fluide réfrigérant principal détendue à basse pression est aspirée à l'état gazeux, à une température par exemple d'environ -52°C et à une pression par exemple d'environ 0,08 bar par le premier compresseur 18 d'où il est refoulé à une pression moyenne d'environ par exemple 2 bars et à une température d'environ par exemple 10°C, puis il est aspiré par le deuxième compresseur 19, en même temps que la partie du fluide réfrigérant principal détendue à une pression moyenne égale par exemple à environ 2 bars et dont la température est par exemple d'environ 10°C. L'ensemble est refoulé du compresseur 19 à une température égale par exemple à environ 71°C et à une pression égale par exemple à environ 6,5 bars puis traverse l'échangeur-refroidisseur 20 dans lequel la température du fluide réfrigérant principal est abaissée à environ par exemple 15°C. Par la voie d'écoulement 21, il pénètre alors dans l'orifice d'aspiration du compresseur 22, traverse l'échangeur-refroidisseur 24 puis est comprimé dans le compresseur 23 et, par la voie d'écoulement 25, traverse l'échangeur de chaleur 26. A la sortie de cet échangeur de chaleur 26, le fluide réfrigérant principal est par exemple à une température d'environ 15°C et à une pression d'environ 27,4 bars. Il pénètre alors dans la-voie d'écoulement 27 de l'échangeur de chaleur cryogénique 6 où le fluide réfrigérant principal est refroidi par échange thermique avec le fluide réfrigérant auxiliaire de façon à se liquéfier au moins partiellement. Le fluide réfrigérant principal ainsi au moins partiellement condensé à une température par exemple d'environ -50°C et à une pression par exemple d'environ 26,5 bars, quitte alors l'échangeur de chaleur 6 sous la forme d'un mélange de phases respectivement gazeuse et liquide qui sont ensuite séparées dans le séparateur de phases 29. La phase gazeuse est amenée par la conduite 38 dans le segment de la voie d'écoulement 39 situé dans l'échangeur de chaleur cryogénique 4 pour y être liquéfiée puis sous-refroidie à une température par exemple d'environ -154°C. Une partie de cette phase gazeuse liquéfiée et sous-refroidie s'écoule dans la voie 41 et est détendue dans l'organe de détente 43 à une pression par exemple d'environ 0,3 bar, sa température étant par exemple d'environ -156°C. A la sortie de la voie d'écoulement 45 de cette fraction de la phase gazeuse liquéfiée et sous-refroidie, les conditions de température et de pression sont par exemple d'environ -52°C et d'environ 0,08 bar, respectivement. L'autre partie de la phase gazeuse liquéfiée et sous-refroidie s'écoule par la voie 40 et est détendue dans l'organe de détente 42 à une pression par exemple d'environ 2,3 bars, sa tempéra- tureétant d'environ -153°C. A la sortie de la voie d'écoulement 44 de cette fraction dans l'échangeur 4, les conditions de température et de pression sont par exemple les suivantes : -152°C et 2,10 bars.
  • De même, la phase liquide du fluide réfrigérant principal provenant du séparateur de phases 29, est amenée par la conduite 30 dans la voie d'écoulement 31 de l'échangeur de chaleur cryogénique 4 pour y être sous-refroidie jusqu'à une température par exemple d'environ -154°C, à une pression par exemple d'environ 26 bars. Une partie de la phase liquide sous-refroidie du fluide réfrigérant principal traverse l'organe de détente 35 où sa pression est ramenée à par exemple environ 0,3 bar ; tandis qu'une autre partie de la phase liquide sous-refroidie s'écoulant dans la voie 33 est détendue dans l'organe de détente 34 à une pression d'environ 2,3 bars, sa température étant d'environ par exemple -153°C. Après écoulement dans les voies 37 et 36, respectivement, les première et deuxième parties précitées de la phase liquide du fluide réfrigérant principal présentent les conditions de température et de pression suivantes : -52°C et 0,08 bar, et -52°C et 2,10 bars, respectivement.
  • Ainsi, selon l'invention, une première partie de la phase vapeur du fluide réfrigérant principal, condensée et sous-refroidie est détendue à une première pression, une deuxième partie étant détendue à une deuxième pression, et une première partie de la phase liquide précitée du fluide réfrigérant principal, sous-refroidie est détendue à ladite première pression, une deuxième partie étant détendue à ladite deuxième pression. Il est bien évident que les phases vapeur et liquide peuvent être divisées en un nombre souhaité de parties, par exemple trois ou plus, la pression à laquelle une partie de la phase liquide étant détendue correspondant à la pression à laquelle est détendue une partie correspondante de la phase vapeur.
  • Après la vaporisation, les premières parties des phases vapeur et liquide sont mélangées, et les deuxièmes parties desdites phases vapeur et liquide sont mélangées.
  • Une autre possibilité consiste à mélanger les premières parties des phases vapeur et liquide, et à mélanger les deuxièmes parties des phases vapeur et liquide après la détente mais avant la vaporisation (mode de réalisation illustré par la figure 5).
  • Enfin, la partie du fluide réfrigérant principal vaporisée à basse pression est admise par la voie d'écoulement 47 dans l'orifice d'aspiration du compresseur 18, tandis que la partie dufluide réfrigérant principal vaporisée à la pression moyenne est admise par la voie d'écoulement 46, et éventuellement après avoir traversé l'échangeur de chaleur 5 de prérefroidissement du gaz à liquéfier, dans l'orifice d'aspiration du compresseur 19.
  • Le fonctionnement du cycle 3 de fluide réfrigérant auxiliaire est le suivant : le fluide réfrigérant auxiliaire, à l'état gazeux, sortant du groupe de compresseurs 48, 49, 51 est par exemple à une température d'environ +46°C et à une pression par exemple d'environ 16 bars. Après passage dans les échangeurs refroidisseurs 52 et 53, la température du fluide réfrigérant auxiliaire est d'environ +13°C, tandis que sa pression est d'environ 15,1 bars. La partie du fluide réfrigérant auxiliaire dérivée dans la voie d'écoulement 59 est à une température par exemple d'environ 0°C et à une pression par exemple d'environ 15 bars. Après détente dans l'organe de détente 62, la température s'abaisse à par exemple environ -6,5°C et la pression à par exemple environ 8,5 bars. Les phases vapeur et liquide ainsi obtenues, séparées par le séparateur de phases 65 s'écoulant alors dans l'échangeur de chaleur cryogénique 6 par les voies d'écoulement 77 et 71, respectivement, de façon à réaliser un échange thermique avec les fluides contenus dans les autres voies d'écoulement 13, 27 et 58 traversant ledit échangeur de chaleur 6. Lesdites phases vapeur et liquide étant mélangées après la sortie de l'échangeur 6, les conditions de température et de pression du fluide réfrigérant auxiliaire sont alors les suivantes : par exemple environ 11°C et par exemple environ 8,5 bars. Cette partie du fluide réfrigérant auxiliaire est conduite à l'orifice d'aspiration du compresseur 51 par les voies d'écoulement 80 et 54.
  • Les conditions de température et de pression de la deuxième partie du fluide auxiliaire réfrigérant s'écoulant par la dérivation 60 sont les suivantes : par exemple environ -25°C et par exemple environ 14,5 bars. Après détente dans l'organe de détente 63, la température est abaissée à par exemple environ -29°C et la pression à par exemple environ 4 bars. Les phases vapeur et liquide ainsi obtenues s'écoulent dans les voies d'écoulement 78 et 72, respectivement, dans l'échangeur 6 de façon à participer à l'échange thermique avec les autres fluides s'écoulant dans ledit échangeur 6, puis sont réunies après la sortie dudit échangeur 6 dans la voie d'écoulement 81. Les conditions de température et de pression de cette partie du fluide réfrigérant auxiliaire sont alors les suivantes : par exemple environ -3°C et par exemple environ 3,9 bars. Cette partie du fluide réfrigérant auxiliaire est introduite dans l'orifice d'aspiration du compresseur 49.
  • De même, une troisième partie du fluide réfrigérant auxiliaire s'écoule dans la voie d'écoulement 61 à une température par exemple d'environ -50°C et une pression par exemple d'environ 14,2 bars. Après détente dans l'organe de détente 64, ces conditions de température et de pression évoluent comme suit : par exemple environ -54°C et par exemple environ 1,1 bars. Les phases vapeur et liquide ainsi obtenues sont séparées dans le séparateur de phases 67 puis s'écoulent par les voies d'écoulement 73 et 79 dans l'échangeur de chaleur 6 pour participer à l'échange thermique avec les autres fluides qui y circulent. Ces phases vapeur et liquide une fois réunies, après la sortie de l'échangeur 6, sont à une température par exemple d'environ -28°C et à une pression par exemple d'environ 0,90 bar. Cette troisième partie du fluide réfrigérant auxiliaire est introduite dans l'orifice d'aspiration du compresseur 48 par la voie d'écoulement 82.
  • Sur la figure 2, représentant une variante de réalisation de l'appareil selon l'invention, on n'a représenté qu'une partie de celui-ci encadrée en traits mixtes sur la figure 1; le reste de l'appareil. étant identique.
  • Dans cette variante, la phase vapeur du fluide réfrigérant principal condensée et sous-refroidie dans l''échangeur 4 est détendue, en une fois, par l'organe de détente 83 à une première pression. La phase liquide du fluide réfrigérant principal sous-refroidie dans l'échangeur 4 est détendue, en une fois, à une deuxième pression différente de ladite première pression, dans l'organe de détente 84. La phase vapeur, détendue par exemple à une basse pression, inférieure à environ 1 bar effectif est conduite, à travers l'échangeur de chaleur 4, par la voie d'écoulement 85, jusqu'à l'orifice d'aspiration du premier condenseur 18; tandis que la phase liquide du fluide réfrigérant principal, détendue à une pression moyenne, notamment comprise entre environ 1,5 et environ 3 bars est conduite, à travers l'échangeur 4, par la voie d'écoulement 86 jusqu'à l'orifice d'aspiration du deuxième compresseur 19. Il est à noter que le fonctionnement général de l'appareil de refroidissement et de liquéfaction d'un gaz à bas point d'ébullition, tel que par exemple du gaz naturel, comportant la variante de la figure 2, est similaire à celui de l'appareil selon la figure 1.
  • On se référera maintenant à la figure 3 représentant une autre variante de la même partie (indiquée par un cadre en traits mixtes sur la figure 1), de l'appareil que sur la figure 2. Dans ce cas, après détente de la phase vapeur condensée et sous-refroidie dans l'organe de détente 83, les phases gazeuse et liquide ainsi obtenues sont séparées dans un séparateur de phases 87 avant de retraverser, à contre-courant, l'échangeur de chaleur-cryogénique 4. Après vaporisation, les deux phases sont réunies dans la même voie d'écoulement 89 reliée à l'orifice d'aspiration du compresseur 18, la phase vapeur est donc, dans ce cas, détendue à la basse pression précitée.
  • La phase liquide sous-refroidie du fluide réfrigérant principal est détendue dans l'organe de détente 84, et circule à contre-courant dans l'échangeur 4 à la sortie duquel est reliée la voie d'écoulement 90 elle-même reliée à l'orifice d'aspiration du compresseur 19.
  • La phase vapeur issue du séparateur 87 peut ne pas repasser dans l'échangeur 4 mais être introduite directement dans la conduite 89.
  • La figure 6 illustre l'application de cette variante au circuit de réfrigération auxiliaire. Dans ce cas, les conduites 74, 75, 76 issues de l'espace collecteur de vapeur des séparateurs 65, 66, 67 sont reliées directement aux voies d'écoulement 80, 81, 82 sans passer par l'échangeur 6.
  • La figure 4 est une vue d'une variante de réalisation de la partie de l'appareil encadrée en traits interrompus sur la figure 1, semblable à la variante illustrée par la figure 2. Dans ce cas, l'emplacement de chaque élément du système de détente 83, 84 par rapport à l'échangeur de chaleur cryogénique 4 du circuit de fluide réfrigérant principal 2, au lieu de se trouver à la sortie de l'échangeur 4 peut être prévu, à un endroit quelconque, le long de l'échangeur 4, dans la direction d'écoulement des différents fluides. Ainsi, comme dans l'exemple représenté, la voie d'écoulement 31 de la phase liquide du fluide réfrigérant principal, ne traverse pas la totalité de l'échangeur 4. Cela permet de réaliser la détente à des niveaux de température différents, dans le cas où, après la vanne, la température pourrait être plus élevée. Le déplacement de la détente selon un gradient de température correspond à un déplacement de l'organe de détente le long de l'échangeur, dans la direction d'écoulement des fluides.
  • Enfin, comme indiqué ci-dessus, la figure 5 illustre une variante de réalisation dans laquelle les premières parties des phases vapeur et liquide sont mélangées et les deuxièmes parties desdites phases vapeur et liquide sont mélangées, après la détente, dans les vannes 83, 84'; 83', 84, respectivement, mais avant recirculation à contre-courant, dans l'échangeur 4.
  • On donnera ci-après un exemple de refroidissement et de liquéfaction d'un gaz naturel disponible dans les conditions suivantes :
    • températures : 20°C
    • pression : 42,44 bars effectifs
    • débit massique : 239,908 kg/h
    • Composition chimique en pourcentage molaire :
      Figure imgb0006
  • En amont du dispositif de détente final, le gaz liquéfié est obtenu dans les conditions suivantes :
    • température - 153,7°C
    • pression 41,44 bars effectifs
    • Débit massique et composition molaire identiques
    • aux valeurs précédentes.
  • Un exemple de calcul du procédé, objet de l'invention, conduit aux performances suivantes à titre indicatif.
    • Cycle de réfrigération principal
  • Composition molaire :
    Figure imgb0007
    pourcentage molaire vaporisé dans le séparateur de phases 29 : 20%.
  • La répartition des fractions liquides et sous- refroidies du réfrigérant principal entre les deux niveaux de pression étant définie par :
    Figure imgb0008
    Figure imgb0009
    Figure imgb0010
    Débit massique : 408.563 kg/h.
    • Compresseurs :
  • Pression d'aspiration du compresseur 18 : 0,03 bar Pression d'aspiration du compresseur 19 : 1,95 bars
    Figure imgb0011
    • Echangeur :
  • Rapport des quantités de chaleur échangées aux approches moyennes en température :
  • 67.841.400 x 103 Joules/h°C pour l'échangeur 4.
    • Cycle de réfrigération auxiliaire
  • Composition molaire du réfrigérant auxiliaire :
    Figure imgb0012
    Débit massique : 600.972 kg/h .
    • Compresseurs :
  • Puissance des compresseurs 48, 49, 51 : 17.021 kW.

Claims (21)

1. Procédé de refroidissement et de liquéfaction d'au moins un gaz à bas point d'ébullition, tel que par exemple du gaz naturel, par échange de chaleur avec au moins une partie d'un fluide réfrigérant principal, à plusieurs composants, prérefroidi jusqu'à sa liquéfaction au moins partielle par échange thermique avec un fluide réfrigérant auxiliaire, notamment à plusieurs composants, lesdits fluides réfrigérants faisant partie d'une cascade frigorifique incorporée d'au moins ces deux fluides réSri- gérants, ledit fluide réfrigérant principal évoluant selon un cycle de refroidissement en circuit fermé en y subissant successivement : au moins une compression à l'état gazeux, au moins un refroidissement préliminaire avec condensation au moins partielle, notamment par échange thermique avec ledit fluide réfrigérant auxiliaire, les phases liquide et vapeur ainsi obtenues étant ensuite séparées, au moins une réfrigération avec liquéfaction totale puis sous-refroidissement et ensuite détente pour échange de chaleur subséquent, et vaporisation résultante, à contre-courant avec lui-même et avec ledit gaz pour liquéfaction au moins partielle de ce dernier, la vapeur ainsi réchauffée étant finalement recomprimée et recyclée, caractérisé en ce que ladite phase vapeur du fluide réfrigérant principal, condensée et sous-refroidie est détendue, en une fois, à au moins une première pression, et en ce que ladite phase liquide du fluide réfrigérant principal sous-refroidie est détendue, en une fois, à au moins une deuxième pression, différente de ladite première pression.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une première partie de la phase vapeur précitée du fluide réfrigérant principal, condensée et sous-refroidie, est détendue à une première pression, une deuxième partie étant détendue à une deuxième pression, et en ce qu'une première partie de la phase liquide précitée du fluide réfrigérant principal, sous-refroidie est détendue à ladite première pression une deuxième partie étant détendue à ladite deuxième pression.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'après la vaporisation précitée, les premières parties précitées des phases vapeur et liquide précitées sont mélangées et les deuxièmes parties précitées desdites phases vapeur et liquide sont mélangées (figure 1).
4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'après la détente précitée et avant la vaporisation précitée, les premières parties précitées des phases vapeur et liquide précitées sont mélangées, et les deuxièmes parties précitées desdites phases vapeur et liquide sont mélangées (figure 5).
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les phases vapeur et liquide de la phase vapeur du fluide réfrigérant principal obtenues après la détente précitée sont séparées avant échange de chaleur avec le gaz à liquéfier précité et le fluide réfrigérant principal avant détente (figure 3).
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la première pression précitée est une basse pression inférieure à environ 1 bar effectif et en ce que la deuxième pression précitée est une pression moyenne comprise entre environ 1,5 bars effectifs et environ 3 bars effectifs.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une partie du gaz à liquéfier précité est prérefroidie par échange thermique avec au moins une partie du fluide réfrigérant auxiliaire précité.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une partie du gaz à liquéfier précité est prérefroidie par échange thermique avec au moins une partie de la vapeur réchauffée précitée à la première ou à la deuxième pression précitée.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une partie du fluide réfrigérant principal précité est prérefroidie par échange thermique avec au moins une partie de la vapeur réchauffée précitée à la première ou à la deuxième pression précitée.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le fluide réfrigérant auxiliaire précité évolue selon un cycle de refroidissement en circuit fermé en y subissant successivement : au moins une compression à l'état gazeux; au moins un refroidissement préliminaire avec éventuellement condensation au moins partielle par échange thermique avec un agent refroidisseur de préférence d'origine externe; au moins une auto-réfrigération avec liquéfaction totale puis sous-refroidissement et ensuite détente pour échange de chaleur subséquent et vaporisation résultante concomitante à contre-courant avec lui-même avant sa détente et avec le fluide réfrigérant principal, et éventuellement le gaz à liquéfier, la vapeur ainsi réchauffée étant recyclée et recomprimée, caractérisé en ce que la détente du fluide réfrigérant auxiliaire, avant vaporisation, s'effectue à au moins deux niveaux de pression, notamment à trois niveaux de pression.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on sépare les phases vapeur et liquide du fluide réfrigérant auxiliaire obtenues après détente.
12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant principal précité a la composition molaire suivante :
Figure imgb0013
13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant auxiliaire précité a la composition molaire suivante :
Figure imgb0014
14. Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon au moins l'une des revendications précédentes, du type comprenant au moins les circuits suivants :
- un circuit ouvert de gaz à liquéfier (1);
- un circuit fermé de fluide réfrigérant principal (2) en relation d'échange thermique avec ledit circuit de gaz (1) au moyen d'au moins un échangeur de chaleur cryogénique (4), et faisant partie d'une cascade frigorifique incorporée d'au moins deux fluides réfrigérants, respectivement principal et auxiliaire;
- un circuit fermé de fluide réfrigérant auxiliaire (3) en relation d'échange thermique avec ledit circuit de fluide réfrigérant principal (2), et éventuellement ledit circuit de gaz à liquéfier (1), au moyen d'au moins un échangeur de chaleur cryogénique (6) de prérefroidissement et de liquéfaction au moins partielle dudit fluide réfrigérant principal, ledit circuit fermé de fluide réfrigérant principal (2) comprenant successivement : au moins un compresseur (18, 19, 22, 23); et éventuellement au moins un échangeur de chaleur ou refroidisseur (20, 24, 26), relié à une voie d'écoulement (27) du fluide réfrigérant principal traversant ledit échangeur cryogénique (6) du circuit de fluide réfrigérant auxiliaire (3), un séparateur (29) des phases vapeur et liquide ainsi obtenues, ledit échangeur de chaleur cryogénique (4) et un système de détente (34, 35, 42, 43) comprenant un organe de détente dans la voie d'écoulement de chaque fraction du fluide réfrigérant principal, relié audit compresseur, caractérisé en ce que ledit échangeur de chaleur cryogénique (4) dudit circuit de fluide réfrigérant principal (2) est un échangeur à plaques comportant des voies de passage différentes (15, 31, 36, 37, 39, 44, 45), pour chacun des fluides en présence lors de l'échange thermique, à savoir le gaz à liquéfier, les phases ou fractions liquide et vapeur du fluide réfrigérant principal partiellement condensé, ainsi que les fractions issues des précédentes, détendues à différents niveaux de pression.
15. Appareil selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'emplacement de chaque élément du système de détente précité par rapport à l'échangeur de chaleur cryogénique (4) précité du circuit de fluide réfrigérant principal (2) est modifiable pour chaque fraction précitée du fluide réfrigérant principal.
16. Appareil selon la revendication 14 ou 15, caractérisé par un séparateur (87) des phases vapeur et liquide, en aval de l'organe de détente (83) précité, dans la voie d'écoulement de la fraction vapeur du fluide réfrigérant principal.
17. Appareil selon l'une des revendications 14 à 16, caractérisé par un échangeur de chaleur (5), en amont de l'échangeur de chaleur cryogénique (4) précité du circuit de fluide réfrigérant principal (2), traversé, notamment à contre-courant, d'une part par le fluide réfrigérant principal vaporisé après détente dans ledit échangeur de chaleur cryogénique (4) et, d'autre part, par au moins une partie du gaz à liquéfier et/ou du fluide réfrigérant principal.
18. Appareil selon l'une des revendications 14 à 17, caractérisé en ce que le circuit de gaz à liquéfier (1) précité comprend une voie d'écoulement (7, 9, 11) vers et à travers l'échangeur de chaleur (4) précité du circuit de fluide réfrigérant principal (2), et comporte, en aval dudit échangeur, un organe de détente (17); une dérivation (12, 13, 14) de ladite voie traversant l'échangeur de chaleur (6) précité du circuit de fluide réfrigérant auxiliaire (3) avant de rejoindre ladite voie (11) d'écoulement avant ledit échangeur de chaleur cryogémique (4) du circuit de fluide réfrigérant principal (2).
19. Appareil selon l'une des revendications 14 à 18, du type où le circuit de fluide réfrigérant auxiliaire précité comprend successivement : au moins un compresseur (48, 49, 51) , au moins un échangeur-refroidisseur (50, 52, 53) à fluide réfrigérant de préférence d'origine externe; l'échangeur de chaleur cryogénique (6) précité étant traversé par une voie d'écoulement (58) de fluide réfrigérant auxiliaire précité comportant au moins un organe de détente et par au moins une voie d'écoulement, à contre-courant, dudit fluide réfrigérant après détente, caractérisé en ce que ladite voie d'écoulement (58) du fluide réfrigérant auxiliaire dans ledit échangeur cryogénique (6) présente au moins deux dérivations, par exemple trois (59, 60, 61) comportant chacune un organe de détente (62, 63, 64), la partie de chaque dérivation en aval dudit organe de détente traversant la partie correspondante dudit échangeur cryogénique sensiblement parallèlement à ladite voie d'écoulement, et à contre-courant.
20. Appareil selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'un séparateur de phases vapeur et liquide (65, 66, 67) est prévu en aval de l'organe de détente (62, 63, 64) précité; la partie de la dérivation précitée, en aval dudit séparateur, étant divisée en une voie d'écoulement de la phase vapeur (74, 77; 75, 78; 76, 79) et une voie d'écoulement de la phase liquide (68, 71; 69, 72; 70, 73).
21. Appareil selon la revendication 20, caractérisé en ce que les voies d'écoulement précitées (68, 71; 69, 72; 70, 73) de la phase liquide traverse la partie correspondante de l'échangeur cryogénique précité (6) avant de rejoindre les voies d'écoulement (74, 75, 76) précitées de la phase vapeur qui n'ont pas traversé ledit échangeur (6).
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