EP0125980B1 - 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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EP0125980B1
EP0125980B1 EP84400906A EP84400906A EP0125980B1 EP 0125980 B1 EP0125980 B1 EP 0125980B1 EP 84400906 A EP84400906 A EP 84400906A EP 84400906 A EP84400906 A EP 84400906A EP 0125980 B1 EP0125980 B1 EP 0125980B1
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EP
European Patent Office
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cooling medium
exchanger
pressure
vapor
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EP0125980A2 (fr
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Henri Paradowski
Didier Leroux
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Francaise dEtudes et de Construction 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 water minus a gas with low boiling point, such as for example natural gas, or possibly any mixture of gases comprising at least one component with low boiling point.
  • a gas with low boiling point such as for example natural gas, or possibly any mixture of gases comprising at least one component with low boiling point.
  • the condensed part (s) of said refrigeration fluid also constitutes a refrigeration fluid with several components.
  • the cooling curve of the multi-component refrigeration fluid 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.
  • the object of the present invention is 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, making it possible in particular to obtain a better yield at a lower cost. low.
  • the present invention relates to a process for liquefying a gas with low boiling point, such as for example natural gas, by heat exchange with at least part of a main refrigerant fluid with several components, which is previously cooled to at least partial liquefaction by heat exchange with a multi-component auxiliary refrigerant, said main and auxiliary refrigerants forming a refrigeration cascade, and the main refrigerant evolving in a closed circuit in which it undergoes successively: at least one compression in the gaseous state; at least one preliminary cooling with at least partial condensation by heat exchange with the auxiliary refrigerant; separation of the liquid and vapor phases thus obtained; the vapor phase undergoing at least refrigeration with total liquefaction, the vapor phase thus liquefied and the liquid phase being sub-cooled and then expanded for subsequent heat exchange, and resulting vaporization, against the current, with themselves and with the gas to at least partially liquefy it, the vapor thus heated of the main refrigerant being finally recycled and recompressed,
  • the first aforementioned parts of the aforementioned vapor and liquid phases are mixed, before recompression and the aforementioned second parts of said vapor and liquid phases are mixed before recompression.
  • the first aforementioned parts of the vapor and liquid phases are mixed, and the aforementioned second parts of said vapor and liquid phases are mixed.
  • the first aforementioned pressure is a low pressure less than about 1 effective bar and the second aforementioned pressure is an average pressure between about 1.5 effective bar and about 3 effective bar.
  • At least a portion of the aforementioned liquefied gas is precooled by heat exchange with at least a portion of the aforementioned reheated steam 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 vapor at the first or the second pressure.
  • the invention also relates to a method in which the aforementioned auxiliary refrigerating fluid evolves according to a closed cycle cooling cycle by undergoing successively: at least one compression in the gaseous state; at least one preliminary cooling with possibly at least partial condensation by heat exchange with a cooling agent preferably of external origin; at least one self-refrigeration with total liquefaction then sub-cooling and then expansion for subsequent heat exchange and concomitant resulting vaporization against the current with itself before its expansion and with the main refrigerant, and possibly the gas to be liquefied, the steam thus reheated being recycled and recompressed, characterized in that the expansion of the auxiliary refrigerant, before vaporization, takes place at at least two pressure levels, in particular at three pressure levels.
  • the above-mentioned main refrigerant has the following molar composition:
  • the aforementioned auxiliary refrigerant has the following molar composition:
  • the invention also relates to an apparatus for implementing the above process, and of the type comprising an open circuit of liquefied gas, a closed circuit of main refrigerant in heat exchange relationship with the gas circuit by means a cryogenic plate heat exchanger, and a closed auxiliary refrigerant circuit in heat exchange relation with the main refrigerant circuit by means of a cryogenic heat exchanger, said closed main refrigerant circuit successively comprising at least one compression stage, at least one heat exchanger or cooler connected to a flow path of the main refrigerant which passes through the cryogenic heat exchanger, a separator of the vapor and liquid phases obtained, the above-mentioned cryogenic heat exchanger, and a expansion device on the flow path of each separate and sub-cooled fraction of the main coolant, characterized in that the flow paths ge of the gaseous and liquid fractions of the main refrigerant passing through the cryogenic plate exchanger are, at the outlet of this exchanger, respectively divided into at least two pipes each equipped with an expansion member and each extending by passages
  • This device is further characterized by a heat exchanger crossed against the current, on the one hand by the main refrigerant vaporized after expansion in said cryogenic heat exchanger and, on the other hand, by at least part of the gas to be liquefied and / or the main refrigerant, this exchanger being located downstream of the cryogenic plate exchanger with respect to the direction of flow of the vaporized main refrigerant.
  • the aforementioned liquefied gas circuit comprises a flow path to and through the aforementioned heat exchanger of the main coolant circuit, and comprises, downstream of said exchanger, an expansion member, a bypass of said path passing through the above-mentioned heat exchanger of the auxiliary refrigerant circuit before joining said flow path before said cryogenic heat exchanger of the main refrigerant circuit.
  • the apparatus according to this invention is of the type in which the auxiliary refrigerant circuit successively comprises: at least one compressor, at least one exchanger-cooler, with refrigerant preferably of external origin; the aforementioned cryogenic heat exchanger being traversed by a flow path of the aforesaid auxiliary refrigerant fluid comprising at least one expansion member and by at least one flow path, against the current, of said refrigerant fluid after expansion, and is characterized in that said flow path of the auxiliary refrigerant in said cryogenic exchanger has at least two branches, for example three each comprising a expansion member, the part of each branch downstream of said expansion member passing through the corresponding part of said exchanger cryogenic substantially parallel to said flow path, and against the current.
  • a vapor and liquid phase separator is provided downstream of the above-mentioned expansion member, the part of the above-mentioned branch, downstream of said separator, being divided into a flow path of the vapor phase and a liquid phase flow path.
  • the aforementioned flow paths of the liquid phase pass through the corresponding part of the above-mentioned cryogenic exchanger before joining the aforementioned flow paths of the vapor phase which have not passed through said exchanger.
  • the open circuit of gas for example natural gas, to be liquefied
  • the closed circuit of main refrigerant fluid is generally designated 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 broken lines in broken lines, and the path gas to be liquefied is indicated by a solid 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 pipe 7 for arrival at the pre-cooling heat exchanger 5 connected to at least one internal flow path 8 of this exchanger, the outlet of which is connected by a pipe 9 to a optional gas treatment apparatus 10, in particular for the extraction of ethane.
  • a gas treatment apparatus 10 in particular for the extraction of ethane.
  • gas treatment devices in particular 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 inlet of the heat exchanger 4.
  • the pipe 11 is connected to an internal flow path 15 passing through the cryogenic heat exchanger 4 and are 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 coolant: a first compressor 18 and a second compressor sor 19 of refrigerant in the gaseous state, each driven either separately by an individual drive machine or else together jointly by a common drive machine while 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 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 for example by water or air.
  • the compressors 22, 23 can be driven jointly or even jointly with at least one of the compressors 18, 19 or separately each.
  • 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 phase separator 29.
  • the liquid collecting space of this phase separator is connected by a pipe 30 at the inlet of the heat exchanger 4 and more precisely at 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 coolant circuit 2 is a plate exchanger comprising, as we have 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 bar effective 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 are respectively by individual power 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, 60 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 in the following manner: 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 gas to be liquefied for example natural gas
  • 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 .
  • the main refrigerant cycle 2 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 presser wedge 18 from which it is discharged at an average pressure of about for example 2 bars and at a temperature of about for example 10 ° C, then it is sucked by the second compressor 19, at the same time as the part of the main coolant expanded to 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 refrigerant is cooled by heat exchange with the auxiliary refrigerant 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 the pipe 38 into the segment of the flow path 39 located in the cryogenic heat exchanger 4 to be liquefied there and then sub-cooled to a temperature, for example, of approximately -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 gas 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: -52 ° 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 to a pressure of about 2.3 bars, its temperature being approximately for example-153 ° C.
  • the first and second abovementioned parts of the liquid phase of the main refrigerant have the following temperature and pressure conditions: -52 ° C and 0.08 bar, and -52 ° C and 2.10 bars, 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. 2).
  • the part of the main coolant 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 coolant vaporized at medium pressure is admitted by the way flow 46, and possibly after passing 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 around +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 approximately -25 ° C. and for example approximately 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 around -54 ° C. and for example around 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 phases vapor and liquid once combined, after leaving the exchanger 6, are at a temperature for example of about -28 ° C and a pressure for example of about 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. 3 illustrates a variant of the auxiliary refrigeration circuit.
  • the conduits 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.
  • fig. 2 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.

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Description

  • La présente invention a pour objet un procédé et un appareil de refroidissement et de liquéfaction d'eau 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 procdédé 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 le 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 à 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 d'après le document FR-A-2471566 de se servir d'un fluide de réfrigération auxiliaire à un ou plusieurs composants pour pré- refroidir simultanément, le gaz 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 généralement 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. A cet égard, on a déjà proposé des installations de liquéfaction de gaz naturel utilisant un échangeur à plaques, comme décrit dans le document EP-A-0058106, mais ces installations mettaient en oeuvre des procédés de liquéfaction très différents de ceux mentionnés plus haut.
  • La présente invention a 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.
  • A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de liquéfaction d'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, qui est préalablement refroidi jusqu'à sa liquéfaction au moins partielle par échange thermique avec un fluide réfrigérant auxiliaire à plusieurs composants, lesdits fluides réfrigérants principal et auxiliaire formant une cascade de réfrigération, et le fluide réfrigérant principal évoluant suivant un circuit fermé dans lequel il subit successivement: au moins une compression à l'état gazeux; au moins un refroidissement préliminaire avec condensation au moins partielle par échange thermique avec le fluide réfrigérant auxiliaire; une séparation des phases liquide et vapeur ainsi obtenues; la phase vapeur subissant au moins une réfrigération avec liquéfaction totale, la phase vapeur ainsi liquéfiée et la phase liquide étant sous-refroidies et ensuite détendues pour échange de chaleur subséquent, et vaporisation résultante, à contre courant, avec elles-mêmes et avec le gaz pour le liquéfier au moins partiellement, la vapeur ainsi rechauffée du fluide réfrigérant principal étant finalement recyclée et recomprimée, caractérisé en ce que, après la séparation, la phase vapeur du réfrigérant principal, qui est liquéfiée et sous-refroidie dans un échangeur, est divisée à la sortie de cet échangeur en au moins une première partie qui est détendue à une première pression et en au moins une deuxième partie qui est détendue à une deuxième pression différente de la première, tandis que la phase liquide du réfrigérant principal, après sous-refroidissement dans ledit échangeur, est divisée en au moins une première partie détendue à une pression égale à ladite première pression et en au moins une deuxième partie détendue à une pression égale à ladite deuxième pression.
  • Selon une autre caractéristique de ce procédé, après le vaporisation précitée, les premières parties précitées des phases vapeur et liquide précitées sont mélangées, avant recompression et les deuxièmes parties précitées desdites phases vapeur et liquide sont mélangées avant recompression.
  • Selon une variante de ce procédé, après la détente et avant la vaporisation, les premières parties précitées des phases vapeur et liquide sont mélangées, et les deuxièmes parties précitées desdites phases vapeur et liquide sont mélangées.
  • Suivant une autre caractéristique du procédé 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 bar effectif et environ 3 bars effectifs.
  • On ajoutera encore ici qu'au moins une partie du gaz à liquéfier précité est prérefroidie par échange thermique avec au moins une partie du fluide refrigérant auxiliaire.
  • Selon encore une autre caractéristique, 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.
  • Suivant une autre caractéristique du procédé, au moins une partie du fluide réfrigérant principale précité est prérefroidie par échange thermique avec au moins une partie de la vapeur réchauffée précitée à la première ou la deuxième pression.
  • L'invention concerne encore un procédé 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 la 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.
  • On ajoutera encore ici qu'on sépare les phases vapeur et liquide du fluide réfrigérant auxiliaire obtenues après détente.
  • Suivant une autre caractéristique du procédé, le fluide réfrigérant principal précité a la composition molaire suivante:
    Figure imgb0001
  • Le fluide réfrigérant auxiliaire précité a la composition molaire suivante:
    Figure imgb0002
  • L'invention vise également un appareil pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, et du type comprenant un circuit ouvert de gaz à liquéfier, un circuit fermé de fluide réfrigérant principal en relation d'échange thermique avec le circuit de gaz au moyen d'un échangeur de chaleur cryogénique à plaques, et un circuit fermé de fluide réfrigérant auxiliaire en relation d'échange thermique avec le circuit réfrigérant principal au moyen d'un échangeur de chaleur cryogénique, ledit circuit fermé de réfrigérant principal comprenant successivement au moins un étage de compression, au moins un échangeur de chaleur ou refroidisseur relié à une voie d'écoulement du réfrigérant principal qui traverse l'échangeur de chaleur cryogénique, un séparateur des phases vapeur et liquide obtenues, l'échangeur de chaleur cryogénique précité, et un organe de détente sur la voie d'écoulement de chaque fraction séparée et sous-refroidie du fluide réfrigérant principal, caractérisé en ce que les voies de passage des fractions séparées gazeuse et liquide du réfrigérant principal traversant l'échangeur cryogénique à plaques sont, à la sortie de cet échangeur, respectivement divisées en au moins deux conduites équipées chacune d'un organe de détente et se prolongeant chacune par des passages qui traversent l'échangeur et qui, après sortie de cet échangeur, sont réunis pour former deux voies d'écoulement transportant chacune les fractions de fluide réfrigérant principal détendues à une même pression, et reliées chacune à un étage de compression.
  • Cet appareil est encore caractérisé par un échangeur de chaleur traversé 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, cet échangeur étant situé en aval de l'échangeur cryogénique à plaques par rapport au sens d'écoulement du fluide réfrigérant principal vaporisé. _ _ _
  • Suivant une autre caractéristique, 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, et comporte, 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 de chaleur cryogénique du circuit de fluide réfrigérant principal.
  • L'appareil selon cette invention est du type dans lequel le circuit de fluide réfrigérant auxiliaire comprend successivement: au moins un compresseur, au moins un échangeur-refroidisseur, à fluide réfrigérant de préférence d'origine externe; l'échangeur de chaleur cryogénique précité étant traversé par une voie d'écoulement 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, et est caractérisé en ce que ladite voie d'écoulement du fluide réfrigérant auxiliaire dans ledit échangeur cryogénique présente au moins deux dérivations, par exemple trois comportant chacune 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.
  • Suivant une autre caractéristique de cet appareil, un séparateur de phases vapeur et liquide est prévu en aval de l'organe de détente précité, la partie de la 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.
  • Suivant encore une autre caractéristique, les voies d'écoulement précitées de la phase liquide traversent la partie correspondante de l'échangeur cryogénique précité avant de rejoindre les voies d'écoulement précitées de la phase vapeur qui n'ont pas traversé ledit échangeur.
  • 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 liquifier 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 valeur 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 différentes 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 fig. 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 fig. 2 est une vue schématique d'une autre variante de réalistion de l'appareil selon l'invention;
    • La fig. 3 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 fig. 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 sortie 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 sont 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 formé d'hydrocarbures. La composition relative en moles de ce fluide réfrigérant peut être par exemple la suivante:
    Figure imgb0003
  • Ce circuit 2 comprend successivement dans le sens d'écoulement de 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. 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. Les compresseurs 22, 23 peuvent être entraînés conjointement ou encore conjointement avec au moins l'un des compresseurs 18, 19 ou séparément chacun. 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'extrémité aval de la voie d'écoulement 27 est reliée par une conduite 28 à au moins un séparateur de phase 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 imgb0004
  • 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 sont 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 raccordé 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, 60 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 majeur 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 à l'orifice d'aspiration du compresseur 51.
  • Le circuit 1 fonctionné 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 de 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 coin- presseur 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 température étant 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: -52 °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 exempte-153 °C. Après écoulement dans les voies 37 et 36, respectivement, les premières et deuxièmes 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 fig. 2).
  • 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 du fluide 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 de 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'ecoulant 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 par 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.
  • La fig. 3 illustre une variante de circuit de réfrigération auxiliaire. Dans ce cas, les conduits 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.
  • Enfin, comme indiqué ci-dessus, la fig. 2 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:
    • température: 20 °C
    • pression: 42,44 bars effectifs
    • débit massique: 239,908 kg/h
  • Composition chimique en pourcentage molaire:
    • N2: 0,36
    • Ci: 93,06
    • C2: 4,08
    • C3: 1,67
    • C4: 0,83
  • 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:
    • C1 40%
    • C2 50%
    • C3 10%

    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 imgb0005
    Figure imgb0006
    • R, = 0,50 et R2 = 0,37

    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 imgb0007
    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:
    • C2 40%
    • C3 60%
    • Débit massique: 600,972 kg/h.
    Compresseurs
  • Puissance des compresseurs 48, 49, 51:
    • 17,021 kW.

Claims (17)

1. Procédé de liquéfaction d'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, qui est préalablement refroidi jusqu'à sa liquéfaction au moins partielle par échange thermique avec un fluide réfrigérant auxiliaire à plusieurs composants, lesdits fluides réfrigérants principal et auxiliaire formant une cascade de réfrigération, et le fluide réfrigérant principal évoluant suivant un circuit fermé dans lequel il subit successivement: au moins une compression à l'état gazeux; au moins un refroidissement préliminaire avec condensation au moins partielle par échange thermique avec le fluide réfrigérant auxiliaire; une séparation des phases liquide et vapeur ainsi obtenues; la phase vapeur subissant au moins une réfrigération avec liquéfaction totale, la phase vapeur ainsi liquéfiée et la phase liquide étant sous-refroidies et ensuite détendues, pour échange de chaleur subséquent, et vaporisation résultante, à contre courant, avec elles-mêmes et avec le gaz pour le liquéfier au moins partiellement la vapeur ainsi réchauffée du fluide réfrigérant principal étant finalement recyclée et recomprimée, caractérisé en ce que, après la séparation, la phase vapeur du réfrigérant principal, qui est liquéfiée et sous-refroidie dans un échangeur, est divisée à la sortie de cet échangeur en au moins une première partie qui est détendue à une première pression et en au moins une deuxième partie qui est détendue à une deuxième pression différente de la première, tandis que la phase liquide du réfrigérant principal, après sous-refroidissement dans ledit échangeur, est divisée en au moins une première partie détendue à une pression égale à ladite première pression et en au moins une deuxième partie détendue à une pression égale à ladite deuxième pression.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'après la vaporisation précitée, les premières parties précitées des phases vapeur et liquide précitées sont mélangées, avant recompression et les deuxièmes parties précitées desdites phases et liquide sont mélangées avant recompression.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'après la détente et avant la vaporisation, les premières parties précitées des phases vapeur et liquide sont mélangées, et les deuxièmes parties précitées desdites phases vapeur et liquide sont mélangées.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, 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 bar effectif et environ 3 bars effectifs.
5. 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.
6. 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 la deuxième pression précitée.
7. 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 la deuxième pression.
8. 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 externé 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.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on sépare les phases vapeur et liquide du fluide réfrigérant auxiliaire obtenues après détente.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant principal précité a la composition molaire suivante:
Figure imgb0008
11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant auxiliaire précité a la composition molaire suivante:
Figure imgb0009
12. Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, et du type comprenant un circuit ouvert de gaz à liquéfier (1), un circuit fermé de fluide réfrigérant principal (2) en relation d'échange thermique avec le circuit de gaz au moyen d'un échangeur de chaleur cryogénique à plaques (4), et un circuit fermé de fluide réfrigérant auxiliaire (3) en relation d'échange thermique avec le circuit réfrigérant principal (2) au moyen d'un échangeur de chaleur cryogénique (6), ledit circuit fermé de réfrigérant principal comprenant successivement au moins un étage de compression (18, 19, 22, 23), au moins un échangeur de chaleur ou refroidisseur (20, 24, 26) relié à une voie d'écoulement (27) du réfrigérant principal qui traverse l'échangeur de chaleur cryogénique (6), un séparateur (29) des phases vapeur et liquide obtenues, l'échangeur de chaleur cryogénique précité (4), et un organe de détente sur la voie d'écoulement de chaque fraction séparée et sous-refroidie du fluide réfrigérant principal, caractérisé en ce que les voies de passage (39, 31) des fractions séparées gazeuse et liquide du réfrigérant principal traversant l'échangeur cryogénique à plaques (4) sont, à la sortie de cet échangeur, respectivement divisées en au moins deux conduites (40, 41 et 32, 33) équipées chacune d'un organe de détente (42, 43 et 34, 35) et se prolongeant chacune par des passages (44, 45 et 36, 37) qui traversent l'échangeur (4) et qui, après sortie de cet échangeur, sont réunis pour former deux voies d'écoulement (46, 47) transportant chacune les fractions de fluide réfrigérant principal détendues à une même pression, et reliées chacune à un étage de compression (18, 19).
13. Appareil selon la revendication 12, caractérisé par un échangeur de chaleur (5), traversé 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 liquifier et/ou du fluide réfrigérant principal, cet échangeur (5) étant situé en aval de l'échangeur cryogénique à plaques (4) par rapport au sens d'écoulement du fluide réfrigérant principal vaporisé.
14. Appareil selon la revendication 12 ou 13, 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 tranversant 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 cryogénique (4) du circuit de fluide réfrigérant principal (2).
15. Appareil selon l'une des revendications 12 à 14, du type dans lequel le circuit réfrigérant auxiliaire 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.
16. Appareil selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'un séparateur de phase 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).
17. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce que les voies d'écoulement précitées (68, 71; 69, 72; 70, 73) de la phase liquide traversent 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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