EP1869384A1 - Procede de sous-refroidissement d'un courant de gnl obtenu par refroidissement au moyen d'un premier cycle de refrigeration, et installation associee - Google Patents

Procede de sous-refroidissement d'un courant de gnl obtenu par refroidissement au moyen d'un premier cycle de refrigeration, et installation associee

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EP1869384A1
EP1869384A1 EP06743662A EP06743662A EP1869384A1 EP 1869384 A1 EP1869384 A1 EP 1869384A1 EP 06743662 A EP06743662 A EP 06743662A EP 06743662 A EP06743662 A EP 06743662A EP 1869384 A1 EP1869384 A1 EP 1869384A1
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EP
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heat exchanger
stream
coolant
refrigerant
cooling
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06743662A
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German (de)
English (en)
Inventor
Henri Paradowski
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Technip Energies France SAS
Original Assignee
Technip France SAS
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Publication date
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    • F25J1/0265—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams comprising cores associated exclusively with the cooling of a refrigerant stream, e.g. for auto-refrigeration or economizer
    • F25J1/0268—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams comprising cores associated exclusively with the cooling of a refrigerant stream, e.g. for auto-refrigeration or economizer using a dedicated refrigeration means
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    • F25J1/0281—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc. characterised by the type of prime driver, e.g. hot gas expander
    • F25J1/0283—Gas turbine as the prime mechanical driver
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    • F25J1/0285—Combination of different types of drivers mechanically coupled to the same refrigerant compressor, possibly split on multiple compressor casings
    • F25J1/0288—Combination of different types of drivers mechanically coupled to the same refrigerant compressor, possibly split on multiple compressor casings using work extraction by mechanical coupling of compression and expansion of the refrigerant, so-called companders
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    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/029—Mechanically coupling of different refrigerant compressors in a cascade refrigeration system to a common driver
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    • F25J2270/14—External refrigeration with work-producing gas expansion loop
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    • F25J2290/10—Mathematical formulae, modeling, plot or curves; Design methods

Definitions

  • the present invention relates to a method of subcooling an LNG stream obtained by cooling by means of a first refrigeration cycle, the method being of the type comprising the following steps:
  • An object of the invention is therefore to provide an autonomous method of sub-cooling a stream of LNG, which has an improved efficiency and which can easily be implemented in units of various structures.
  • the subject of the invention is a subcooling process of the aforementioned type, characterized in that the refrigerant fluid is formed by a mixture of fluids comprising nitrogen.
  • the method according to the invention can comprise one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination:
  • the refrigerant comprises nitrogen and at least one hydrocarbon
  • the cooling fluid contains nitrogen and methane
  • the cooling fluid coming from the compression apparatus is placed in heat exchange relation with a secondary refrigerant circulating in the second heat exchanger, the secondary refrigerant undergoing a third refrigeration cycle wherein it is compressed at the outlet of the second heat exchanger, cooled and condensed at least partially, and then expanded before vaporizing in the second heat exchanger;
  • the secondary refrigerant fluid comprises propane
  • the subcooling stream from the step is put into a heat exchange relationship with the coolant stream in a third heat exchanger; (iii ⁇ ) introducing the subcooling stream from the third heat exchanger into the cold turbine;
  • the secondary turbine is coupled to a compressor of the compression apparatus: during step (iv), the cooling fluid is maintained substantially in gaseous form in the cold turbine;
  • the refrigerant fluid is liquefied to more than 95% by mass in the cold turbine
  • the subcooling current coming from the third heat exchanger is cooled before it passes through the cold turbine by heat exchange with the refrigerant circulating in the first heat exchanger at the outlet of the cold turbine;
  • the cooling fluid contains a C 2 hydrocarbon
  • the high pressure is greater than about 70 bars and the low pressure is less than about 30 bars.
  • the subject of the invention is also a sub-cooling installation of a stream of LNG originating from a liquefaction unit comprising a first refrigeration cycle, the installation being of the type comprising: means for sub-cooling the stream LNG system comprising a first heat exchanger for putting the LNG stream in heat exchange relation with a refrigerant fluid; and
  • a second closed refrigeration cycle independent of the first cycle and comprising: a second heat exchanger comprising means for circulating the refrigerant fluid issuing from the first heat exchanger;
  • the installation according to the invention may comprise one or more of the following characteristics taken separately or in any technically possible combination:
  • the refrigerant comprises nitrogen and at least one hydrocarbon;
  • the cooling fluid contains nitrogen and methane;
  • the second heat exchanger comprises means for circulating a secondary refrigerant fluid, the installation comprising a third refrigeration cycle successively comprising means for secondary compression of the secondary refrigerant fluid coming from the second heat exchanger, cooling means, and expansion of the secondary refrigerant fluid from the secondary compression means, and means for introducing the secondary refrigerant fluid from the expansion means (65) into the second heat exchanger;
  • the secondary refrigerant fluid comprises propane; - the installation includes:
  • a third heat exchanger for putting the subcooling stream from the separation means in heat exchange relation with the mixing stream
  • the secondary turbine is coupled to a compressor of the compression apparatus;
  • the plant comprises, upstream of the cold turbine, means for introducing the subcooling stream from the third heat exchanger into the first heat exchanger to put it in heat exchange relation with the refrigerant circulating in the heat exchanger; first heat exchanger at the outlet of the cold turbine; and
  • the refrigerant fluid contains a C 2 hydrocarbon.
  • FIG. 1 is a functional block diagram of a first installation according to the invention
  • FIG. 2 is a graph showing the efficiency curves of the second refrigeration cycle of the installation of FIG. 1 and of a state-of-the-art installation, as a function of the pressure of the refrigerating fluid at the outlet compressor;
  • Figure 3 is a diagram similar to that of Figure 1 of a first variant of the first installation according to the invention.
  • FIG. 4 is a graph similar to that of Figure 2, for the installation of Figure 3;
  • Figure 5 is a diagram similar to that of Figure 1 of a second variant of the first installation according to the invention.
  • FIG. 6 is a diagram similar to that of Figure 1 of a second installation according to the invention
  • - Figure 7 is a graph similar to that of Figure 2, for the second installation according to the invention
  • FIG. 8 is a diagram similar to that of Figure 3 of a third installation according to the invention.
  • FIG. 9 is a graph similar to that of Figure 2, for the third installation according to the invention.
  • the sub-cooling plant 10 shown in FIG. 1, is intended for production, starting from a stream 11 of liquefied natural gas (LNG) starting at a temperature below -90 ° C. of a subcooled LNG stream 12, brought to a temperature below -140 ° C.
  • LNG liquefied natural gas
  • the starting LNG stream 11 is produced by a natural gas liquefaction unit 13 comprising a first refrigeration cycle 15.
  • the first cycle 15 comprises, for example, a cycle comprising condensation and vaporization means. a mixture of hydrocarbons.
  • the installation 10 comprises a first heat exchanger 19 and a second refrigeration cycle 21 closed, independent of the first cycle 15.
  • the second refrigerant cycle 21 comprises a second heat exchanger 23, a stage compression apparatus comprising a plurality of compression stages 26, each stage 26 comprising a compressor 27 and a refrigerant 29.
  • the second cycle 21 further comprises an expansion turbine 31 coupled to the compressor 27C of the last compression stage.
  • the stage compressor 25 comprises three compressors 27.
  • the first and second compressors 27A and 27B are driven by the same source 33 of external energy, whereas the third compressor 27C is driven by the expansion turbine 31.
  • the source 33 is for example a gas turbine engine type.
  • Refrigerants 29 are cooled by water and / or air.
  • the starting LNG stream 11 from the liquefaction unit 13 is at a temperature below -90 ° C., for example at -110 ° C.
  • This stream comprises, for example, substantially 5% of nitrogen, 90% of methane and 5% ethane, and its flow rate is 50,000 kmol / h.
  • the LNG stream 11 at -1100 ° C. is introduced into the first heat exchanger 19, where it is subcooled to a temperature below -150 ° C. by heat exchange with a starting refrigerant flow.
  • the stream 41 of the refrigerant starting fluid comprises a mixture of nitrogen and methane.
  • the molar content of methane in the coolant 41 is between 5 and 15%.
  • the coolant 41 may be derived from a mixture of nitrogen and methane from the denitrogenation of the LNG stream 12, implemented downstream of the installation 11.
  • the current flow 41 is for example 73 336 kmol / h and its temperature is - 152 ° C at the inlet of the exchanger 19.
  • the stream 42 of refrigerant from the heat exchanger 19 undergoes a second closed refrigeration cycle 21, independent of the first cycle 15.
  • the stream 42 which has a low pressure substantially between 10 and 30 bars, is introduced into the second heat exchanger 23 and heated in this exchanger 23 to form a stream 43 of heated refrigerant.
  • the stream 43 is then compressed successively in the three compression stages 26 to form a stream of compressed refrigerant 45.
  • the stream 43 is compressed in the compressor 27, and then cooled to a temperature of 35.degree. refrigerant 29.
  • the compressed refrigerant fluid stream 45 has a high pressure greater than its critical pressure, or cricondenbar pressure. It is at a temperature substantially equal to 35 ° C.
  • the high pressure is preferably greater than 70 bar and between 70 bar and 100 bar. This pressure is preferably as high as possible given the mechanical strength limits of the circuit.
  • the compressed refrigerant fluid stream 45 is then introduced into the second heat exchanger 23, where it cools by heat exchange with the stream 42 from the first exchanger 19 and circulating in counter-current.
  • a stream 47 of cooled compressed cooling fluid is thus formed.
  • the stream 47 is expanded to the low pressure in the turbine 31 to form the flow 41 of refrigerant starting fluid.
  • the stream 41 is substantially in gaseous form, that is to say it contains less than 10% by weight (or 1% by volume) of liquid.
  • the current 41 is then introduced into the first heat exchanger 19 where it is heated by heat exchange with the flow of LNG 11 circulating against the current.
  • the cooling fluid is kept in gaseous or supercritical form throughout the cycle 21.
  • the exchanger 19 is in fact devoid of liquid dispensing device and steam.
  • the refrigeration condensation of the stream 47 at the outlet of the second heat exchanger 23 is limited to less than 10% by weight, so that a simple expansion turbine 31 is used to relax the compressed refrigerant stream 47.
  • the respective curves 50 and 51 of the respective efficiencies of the cycle 21 in the process according to the invention and in a method of the state of the art are represented as a function of the value of the high pressure.
  • the refrigerant fluid consists solely of nitrogen.
  • the addition of a quantity of methane of between 5 and 15 mol% in the coolant significantly increases the efficiency of the cycle 21 to sub-cool the LNG from -110 0 C to -15O 0 C.
  • the efficiencies represented in FIG. 2 were calculated by considering the polytropic efficiency of the compressors 27A, 27B equal to 83%, the polytropic efficiency of the compressor 27C equal to 80%, and the adiabatic efficiency of the turbine 31 equal to 85%. Furthermore, the average temperature difference between the currents flowing in the first heat exchanger 19 is maintained at approximately 40 ° C. The average temperature difference between the currents flowing in the second heat exchanger 23 is also maintained at approximately 4 ° C. This result is obtained, surprisingly, without modification of the installation 10, and provides gains of about 1000 kW for high pressures between 70 and 85 bar.
  • the installation 10 further comprises a third refrigeration cycle 59 closed, independent of the cycles 15 and 21.
  • the third cycle 59 comprises a secondary compressor 61 driven by the external energy source 33, first and second secondary refrigerants 63A and 63B, and an expansion valve 65.
  • This cycle is implemented using a stream 67 of secondary refrigerant fluid formed of liquid propane.
  • the current 67 is introduced into the second heat exchanger 23 parallel to the stream 42 of refrigerant from the heat exchanger 19, and countercurrent of the compressed refrigerant fluid stream 45.
  • the vaporization of the propane stream 67 in the second heat exchanger 23 cools the stream 45 by heat exchange and produces a stream of heated propane 69.
  • This stream 69 is then compressed in the compressor 61, then cooled and condensed in the refrigerants 63A and 63B to form a stream 71 of liquid compressed propane.
  • This stream 71 is expanded in the valve 65 to form the stream 67 of refrigerant propane.
  • the power consumed by the compressor 61 represents approximately 5% of the total power supplied by the energy source 33.
  • the curve 73 of the efficiency as a function of the high pressure for this first variant method shows that the efficiency of the ring 21 in the second process is increased by about 5% compared to the first method according to the invention in the high pressure range considered.
  • the total power reduction consumed for a high pressure of 80 bar is greater than 12%, compared to a method of the state of the art.
  • the second variant of the first installation illustrated in FIG. 5 differs from the first variant in the following features.
  • the coolant used in the third cycle 59 comprises at least 30 mol% of ethane. In the illustrated example, this cycle comprises about 50 mol% of ethane and 50 mol% of propane.
  • the secondary coolant stream 71 obtained at the outlet of the second secondary refrigerant 63B is introduced into the second heat exchanger 23 where it is subcooled, before being expanded in the valve 65, countercurrent to the expanded stream 67.
  • the average efficiency of the cycle 21 increases by about 0.7% compared with the second variant shown in FIG. 3.
  • the second installation 79 according to the invention shown in FIG. 6 differs from the first installation 10 in that it further comprises a third heat exchanger 81 interposed between the first heat exchanger 19 and the second heat exchanger 23.
  • the compression apparatus 25 further comprises a fourth compression stage 26D interposed between the second compression stage 26B and the third compression stage 26C.
  • the compressor 27D of the fourth stage 26D is coupled to a secondary turbine 83 of expansion.
  • the second method according to the invention differs from the first method in that the current 84 from second refrigerant 29B is introduced into the fourth compressor 27D and then cooled in the fourth refrigerant 29D before being introduced into the third compressor 27C.
  • the stream 47 of compressed cooled refrigerant obtained at the outlet of the second heat exchanger 23 is separated into a subcooling stream 85 and a secondary cooling stream 87.
  • the ratio of the flow rate of the subcooling stream 85 to the secondary cooling stream 87 is greater than 1.
  • the subcooling stream 85 is introduced into the third heat exchanger 81, where it is cooled to form a cooled subcooling stream 89.
  • This stream 89 is then introduced into the turbine 31, where it is expanded.
  • the expanded subcooling stream 90 at the outlet of the turbine 31 is in gaseous form.
  • the stream 90 is introduced into the first heat exchanger 19 where it subcooled the LNG stream 11 by heat exchange and formed a heated subcooling stream 93.
  • the secondary cooling stream 87 is supplied to the secondary turbine 83, where it is expanded to form a expanded secondary cooling stream 91 in gaseous form.
  • the stream 91 is mixed with the heated subcooling stream 93 from the first heat exchanger 19, at a point upstream of the third heat exchanger 81.
  • the mixture thus obtained is introduced into the third heat exchanger 81 where it cools the current subcooling device 85 to form the stream 42.
  • the second installation 79 has a third refrigeration cycle 59 with propane or with a mixture of ethane-propane that cools the second heat exchanger 23.
  • the third cycle 59 is structurally identical to the third cycles 59 shown respectively in Figures 3 and 5.
  • FIG. 7 illustrates the curve 95 of the efficiency of the cycle 21 as a function of the high pressure when the installation shown in FIG. 6 is devoid of a refrigerant cycle, while the curves 97 and 99 represent the efficiency of the cycle 21 in depending on the pressure when third refrigeration cycles respectively with propane or propane and ethane mixture are used. As illustrated in Figure 7, the efficiency of cycle 21 is increased with respect to a cycle comprising only nitrogen as a coolant (curve 51).
  • the third installation 100 according to the invention, shown in FIG. 8, differs from the second installation 79 by the following characteristics.
  • the compression apparatus 25 does not comprise a third stage
  • the installation comprises a dynamic expansion turbine 99 which allows liquefaction of the expanded fluid.
  • This turbine 99 is coupled to a current generator 99A.
  • the third method according to the invention differs from the second method in the ratio of the flow rate of the subcooling current 85 to the flow rate of the secondary cooling stream 87, which ratio is less than 1.
  • the cooled subcooling stream 89 is introduced into the first heat exchanger 19, where it is cooled again before it is introduced into the turbine 99.
  • the expanded subcooling stream 101 from the turbine 99 is completely liquid.
  • the liquid stream 101 is vaporized in the first heat exchanger 19, countercurrently, on the one hand, the LNG stream 11 to be sub-cooled and, on the other hand, the cooled subcooling stream 89 circulating in the first exchanger 19.
  • the secondary cooling stream 91 is in gaseous form at the outlet of the secondary turbine 83.
  • the refrigerant circulating in the first cycle 21 preferably comprises a mixture of nitrogen and methane, the molar percentage of nitrogen in this mixture being less than 50%.
  • the refrigerant also comprises a C 2 hydrocarbon, for example ethylene, at a content of less than 10%.
  • the efficiency of the process is further improved, as illustrated by the efficiency curve 103 of the cycle 21 as a function of the pressure in FIG. 9.
  • a third cycle 59 of propane refrigeration, or based on a mixture ethane-propane, of the type described in FIGS. 3 and 5, is used for cooling the second heat exchanger 23.
  • the curves 105 and 107 of efficiency of the cycle 21 as a function of the pressure for these two variants are shown in Figure 9, and also show an increase in cycle efficiency 21 over the considered high pressure range.
  • the process according to the invention makes it possible to have a sub-cooling process that is flexible and easy to implement in an installation that produces LNG either as a main product, for example in an LNG production unit, or as secondary product, for example in a natural gas liquids extraction unit (NGL).
  • LNG natural gas liquids extraction unit
  • the use of a secondary cooling cycle to cool the coolant prior to its adiabatic compression significantly improves the efficiency of the installation.
  • the efficiency values obtained were calculated with an average temperature difference in the first heat exchanger 19 greater than or equal to 4 ° C.
  • the yield of the inverted Brayton cycle may exceed 50 ° C. %, which is comparable to the efficiency of a condensation and vaporization cycle using a hydrocarbon mixture conventionally used for the liquefaction and subcooling of LNG.

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Abstract

Dans ce procédé, on sous-ref roidit le courant de GNL (11) avec un fluide réfrigérant (41) dans un premier échangeur thermique (19). Ce fluide réfrigérant (41) subit un cycle de réfrigération (21) fermé. Le cycle fermé (21) comprend une phase de réchauffage du fluide réfrigérant (42) dans un deuxième échangeur thermique (23), et une phase de compression du fluide réfrigérant (43) dans un appareil de compression (25), jusqu'à une pression supérieure à sa pression critique. Il comprend en outre une phase de refroidissement du fluide réfrigérant (45) provenant de l'appareil de compression (25) dans le deuxième échangeur thermique (23) et une phase de détente dynamique d'une partie (47) du fluide réfrigérant issu du deuxième échangeur thermique (23) dans une turbine (31). Le fluide réfrigérant (41) comprend un mélange d'azote et de méthane.

Description

Procédé de sous-refroidissement d'un courant de GNL obtenu par refroidissement au moyen d'un premier cycle de réfrigération, et installation associée.
La présente invention concerne un procédé de sous-refroidissement d'un courant de GNL obtenu par refroidissement au moyen d'un premier cycle de réfrigération, le procédé étant du type comprenant les étapes suivantes :
(a) on introduit le courant de GNL porté à une température inférieure à - 9O0C dans un premier échangeur thermique ;
(b) on sous-refroidit le courant de GNL dans le premier échangeur thermique par échange thermique avec un fluide réfrigérant ;
(c) on fait subir au fluide réfrigérant un deuxième cycle de réfrigération fermé, indépendant dudit premier cycle, le cycle de réfrigération fermé comprenant les phases successives suivantes :
(i) on réchauffe le fluide réfrigérant issu du premier échangeur thermique, maintenu à une pression basse, dans un deuxième échangeur thermique ;
(ii) on comprime le fluide réfrigérant issu du deuxième échangeur thermique dans un appareil de compression, jusqu'à une pression haute supérieure à sa pression critique ;
(iii) on refroidit le fluide réfrigérant provenant de l'appareil de compression dans le deuxième échangeur thermique ;
(iv) on détend dynamiquement au moins une partie du fluide réfrigérant issu du deuxième échangeur thermique dans une turbine froide jusqu'à une pression basse ;
(v) on introduit le fluide réfrigérant issu de la turbine froide dans le premier échangeur thermique.
On connaît de US -B- 6 308 531 un procédé du type précité, dans lequel on liquéfie un courant de gaz naturel à l'aide d'un premier cycle de réfrigération qui met en oeuvre la condensation et la vaporisation d'un mélange d'hydrocarbures. La température du gaz obtenu est d'environ -1000C. Puis, on sous-refroidit le GNL produit jusqu'à environ -170°C à l'aide d'un deuxième cycle de réfrigération dit « cycle de Brayton inversé » comprenant un compresseur à étages et une turbine de détente de gaz. Le fluide réfrigérant utilisé dans ce deuxième cycle est de l'azote.
Un tel procédé ne donne pas entière satisfaction. En effet, le rendement maximal du cycle dit de Brayton inversé est limité à 40% environ.
Un but de l'invention est donc de disposer d'un procédé autonome de sous-refroidissement d'un courant de GNL, qui présente un rendement amélioré et qui peut facilement être mis en œuvre dans des unités de structures diverses. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de sous-refroidissement du type précité, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant est formé par un mélange de fluides comprenant de l'azote.
Le procédé selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible :
- le fluide réfrigérant comprend de l'azote et au moins un hydrocarbure ;
- le fluide réfrigérant contient de l'azote et du méthane ;
- lors de l'étape (iii), on met le fluide réfrigérant provenant de l'appareil de compression en relation d'échange thermique avec un fluide réfrigérant secondaire circulant dans le deuxième échangeur thermique, le fluide réfrigérant secondaire subissant un troisième cycle de réfrigération dans lequel on le comprime à la sortie du deuxième échangeur thermique, on le refroidit et on le condense au moins partiellement, puis on le détend avant de le vaporiser dans le deuxième échangeur thermique ;
- le fluide réfrigérant secondaire comprend du propane ;
- après l'étape (iii),
(1111) on sépare le fluide réfrigérant issu de l'appareil de compression en un courant de sous-refroidissement et un courant de refroidissement secondaire ;
(1112) on détend le courant de refroidissement secondaire dans une turbine secondaire ;
(1113) on mélange le courant de refroidissement secondaire issu de la turbine secondaire au courant de fluide réfrigérant issu du premier échangeur thermique pour former un courant de mélange réfrigérant ;
(1114) on met le courant de sous-refroidissement issu de l'étape en relation d'échange thermique avec le courant de mélange réfrigérant dans un troisième échangeur thermique ; (iiiδ) on introduit le courant de sous-refroidissement issu du troisième échangeur thermique dans la turbine froide ;
- la turbine secondaire est accouplée à un compresseur de l'appareil de compression : - lors de l'étape (iv), on maintient le fluide réfrigérant sensiblement sous forme gazeuse dans la turbine froide ;
- lors de l'étape (iv), on liquéfie à plus de 95 % en masse le fluide réfrigérant dans la turbine froide ;
- on refroidit le courant de sous-refroidissement issu du troisième échangeur thermique avant son passage dans la turbine froide par échange thermique avec le fluide réfrigérant circulant dans le premier échangeur thermique à la sortie de la turbine froide ;
- le fluide réfrigérant contient un hydrocarbure en C2 ; et
- la pression haute est supérieure à 70 bars environ et la pression basse est inférieure à 30 bars environ.
L'invention a également pour objet une installation de sous- refroidissement d'un courant de GNL provenant d'une unité de liquéfaction comprenant un premier cycle de réfrigération, l'installation étant du type comprenant : - des moyens de sous-refroidissement du courant de GNL comprenant un premier échangeur thermique pour mettre le courant de GNL en relation d'échange thermique avec un fluide réfrigérant ; et
- un deuxième cycle de réfrigération fermé, indépendant du premier cycle et comportant : • un deuxième échangeur thermique comprenant des moyens de circulation du fluide réfrigérant issu du premier échangeur thermique ;
• un appareil de compression du fluide réfrigérant issu du deuxième échangeur thermique, apte à porter ledit fluide réfrigérant à une pression haute supérieure à sa pression critique ; • des moyens de circulation du fluide réfrigérant issu des moyens de compression dans le deuxième échangeur thermique ;
• une turbine froide de détente dynamique d'au moins une partie du fluide réfrigérant issu du deuxième échangeur thermique ; et • des moyens d'introduction du fluide réfrigérant issu de la turbine froide dans le premier échangeur thermique ; caractérisée en ce que le fluide réfrigérant est formé par un mélange de fluides comprenant de l'azote. L'installation selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prise(s) isolément ou suivant toutes combinaisons techniquement possibles :
- le fluide réfrigérant comprend de l'azote et au moins un hydrocarbure ; - le fluide réfrigérant contient de l'azote et du méthane ;
- le deuxième échangeur thermique comprend des moyens de circulation d'un fluide réfrigérant secondaire, l'installation comprenant un troisième cycle de réfrigération comportant successivement des moyens de compression secondaire du fluide réfrigérant secondaire issu du deuxième échangeur thermique, des moyens de refroidissement, et de détente du fluide réfrigérant secondaire issu des moyens de compression secondaire, et des moyens d'introduction du fluide réfrigérant secondaire issu des moyens de détente (65) dans le deuxième échangeur thermique ;
- le fluide réfrigérant secondaire comprend du propane ; - l'installation comprend :
• des moyens de séparation du fluide réfrigérant issu de l'appareil de compression pour former un courant de sous-refroidissement et un courant de refroidissement secondaire ;
• une turbine secondaire de détente du courant de refroidissement secondaire ;
• des moyens de mélange du courant de refroidissement secondaire issu de la turbine secondaire au courant de fluide réfrigérant issu du premier échangeur thermique pour former un courant de mélange ;
• un troisième échangeur thermique pour mettre le courant de sous-refroidissement issu des moyens de séparation en relation d'échange thermique avec le courant de mélange ; et
• des moyens d'introduction du courant de sous- refroidissement issu du troisième échangeur thermique dans la turbine froide. - la turbine secondaire est accouplée à un compresseur de l'appareil de compression ;
- l'installation comprend, en amont de la turbine froide, des moyens d'introduction du courant de sous-refroidissement issu du troisième échangeur thermique dans le premier échangeur thermique pour le mettre en relation d'échange thermique avec le fluide réfrigérant circulant dans le premier échangeur thermique à la sortie de la turbine froide ; et
- le fluide réfrigérant contient un hydrocarbure en C2.
Des exemples de mise en œuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés; sur lesquels :
- la Figure 1 est un schéma synoptique fonctionnel d'une première installation selon l'invention ;
- la Figure 2 est un graphe représentant les courbes d'efficacité du deuxième cycle de réfrigération de l'installation de la Figure 1 et d'une installation de l'état de la technique, en fonction de la pression du fluide réfrigérant à la sortie du compresseur ;
- la Figure 3 est un schéma analogue à celui de la Figure 1 d'une première variante de la première installation selon l'invention ;
- la Figure 4 est un graphe analogue à celui de la Figure 2, pour l'installation de la Figure 3 ;
- la Figure 5 est un schéma analogue à celui de la Figure 1 d'une deuxième variante de la première installation selon l'invention ;
- la Figure 6 est un schéma analogue à celui de la Figure 1 d'une deuxième installation selon l'invention ; - la Figure 7 est un graphe analogue à celui de la Figure 2, pour la deuxième installation selon l'invention ;
- la Figure 8 est un schéma analogue à celui de la Figure 3 d'une troisième installation selon l'invention ; et
- la Figure 9 est un graphe analogue à celui de la Figure 2, pour la troisième installation selon l'invention.
L'installation 10 de sous refroidissement selon l'invention, représentée sur la Figure 1 est destinée à la production, à partir d'un courant 11 de gaz naturel liquéfié (GNL) de départ, porté à une température inférieure à -900C, d'un courant de GNL sous-refroidi 12, porté à une température inférieure à -1400C. Comme illustré par la Figure 1 , le courant 11 de GNL de départ est produit par une unité 13 de liquéfaction du gaz naturel comprenant un premier cycle de réfrigération 15. Le premier cycle 15 comporte par exemple un cycle comprenant des moyens de condensation et de vaporisation d'un mélange d'hydrocarbures.
L'installation 10 comprend un premier échangeur thermique 19 et un deuxième cycle de réfrigération 21 fermé, indépendant du premier cycle 15.
Le deuxième cycle réfrigérant 21 comprend un deuxième échangeur thermique 23, un appareil 25 de compression à étages comportant une pluralité d'étages 26 de compression, chaque étage 26 comprenant un compresseur 27 et un réfrigérant 29.
Le deuxième cycle 21 comprend en outre une turbine 31 de détente accouplée au compresseur 27C du dernier étage de compression.
Dans l'exemple représenté sur la Figure 1 , l'appareil 25 de compression à étages comprend trois compresseurs 27. Les premier et deuxième compresseurs 27A et 27B sont entraînés par la même source 33 d'énergie extérieure, alors que le troisième compresseur 27C est entraîné par la turbine de détente 31. La source 33 est par exemple un moteur de type turbine à gaz. Les réfrigérants 29 sont refroidis par de l'eau et/ou de l'air.
Dans tout ce qui suit, on désignera par une même référence un courant de liquide et la conduite qui le véhicule, les pressions considérées sont des pressions absolues, et les pourcentages considérés sont des pourcentages molaires. Le courant de GNL de départ 11 à issu de l'unité de liquéfaction 13 est à une température inférieure à - 9O0C, par exemple à - 1100C. Ce courant comprend par exemple sensiblement 5% d'azote, 90% de méthane et 5% d'éthane, et son débit est de 50 000 kmol/h.
Le courant de GNL 11 à - 1100C est introduit dans le premier échangeur thermique 19, où il est sous-refroidi jusqu'à une température inférieure à -1500C par échange thermique avec un courant de fluide réfrigérant de départ
41 circulant à contre-courant dans le premier échangeur thermique 19, pour produire le courant 12 de GNL sous-refroidi. Le courant 41 de fluide réfrigérant de départ comprend un mélange d'azote et de méthane. La teneur molaire en méthane dans le fluide réfrigérant 41 est comprise entre 5 et 15 %. Le fluide réfrigérant 41 peut être issu d'un mélange d'azote et de méthane provenant de la déazotation du courant de GNL 12, mise en œuvre en aval de l'installation 11. Le débit du courant 41 est par exemple de 73 336 kmol/h et sa température est de - 152°C à l'entrée de l'échangeur 19.
Le courant 42 de fluide réfrigérant issu de l'échangeur thermique 19 subit un deuxième cycle de réfrigération fermé 21 , indépendant du premier cycle 15.
Le courant 42, qui présente une pression basse sensiblement comprise entre 10 et 30 bars, est introduit dans le deuxième échangeur thermique 23 et réchauffé dans cet échangeur 23 pour former un courant 43 de fluide réfrigérant réchauffé. Le courant 43 est alors comprimé successivement dans les trois étages 26 de compression pour former un courant de fluide réfrigérant comprimé 45. Dans chaque étage 26, le courant 43 est comprimé dans le compresseur 27, puis refroidi à une température de 35°C dans le réfrigérant 29.
A la sortie du troisième réfrigérant 29C, le courant de fluide réfrigérant comprimé 45 présente une pression haute supérieure à sa pression critique, ou pression de cricondenbar. Il est à une température sensiblement égale à 35°C.
La pression haute est de préférence supérieure à 70 bars et comprise entre 70 bars et 100 bars. Cette pression est de préférence aussi élevée que possible compte tenu des limites de résistance mécanique du circuit. Le courant de fluide réfrigérant comprimé 45 est ensuite introduit dans le deuxième échangeur thermique 23, où il se refroidit par échange thermique avec le courant 42 issu du premier échangeur 19 et circulant à contre-courant.
A la sortie du deuxième échangeur 23, un courant 47 de fluide réfrigérant comprimé refroidi est ainsi formé. Le courant 47 est détendu jusqu'à la pression basse dans la turbine 31 pour former le courant 41 de fluide réfrigérant de départ. Le courant 41 est sensiblement sous forme gazeuse, c'est-à-dire qu'il contient moins de 10 % en masse (ou de 1 % en volume) de liquide. Le courant 41 est alors introduit dans le premier échangeur thermique 19 où il se réchauffe par échange thermique avec le courant de GNL 11 circulant à contre-courant.
La pression haute étant supérieure à la pression supercritique, le fluide réfrigérant est maintenu sous forme gazeuse ou supercritique sur l'ensemble du cycle 21.
Il est ainsi possible d'éviter l'apparition d'une grande quantité de phase liquide à la sortie de la turbine 31 , ce qui rend la mise en œuvre du procédé particulièrement simple. L'échangeur 19 est en effet dépourvu de dispositif de distribution de liquide et de vapeur.
La condensation de réfrigération du courant 47 à la sortie du deuxième échangeur thermique 23 est limitée à moins de 10 % en masse, de sorte qu'une simple turbine de détente 31 est utilisée pour détendre le courant de fluide réfrigérant comprimé 47. Sur la Figure 2, les courbes respectives 50 et 51 des efficacités respectives du cycle 21 dans le procédé selon l'invention et dans un procédé de l'état de la technique, sont représentées en fonction de valeur de la pression haute. Dans le procédé de l'état de la technique, le fluide réfrigérant est constitué uniquement d'azote. L'ajout d'une quantité de méthane comprise entre 5 et 15% molaire dans le fluide réfrigérant augmente significativement l'efficacité du cycle 21 pour sous-refroidir le GNL de -1100C à -15O0C.
Les efficacités représentées sur la Figure 2 ont été calculées en considérant le rendement polytropique des compresseurs 27A, 27B égal à 83%, le rendement polytropique du compresseur 27C égal à 80%, et le rendement adiabatique de la turbine 31 égal à 85%. Par ailleurs, la différence de température moyenne entre les courants circulant dans le premier échangeur thermique 19 est maintenue à environ 40C. La différence de température moyenne entre les courants circulant dans le deuxième échangeur thermique 23 est également maintenue à environ 4°C. Ce résultat est obtenu, de manière surprenante, sans modification de l'installation 10, et permet d'obtenir des gains d'environ 1000 kW pour des pressions hautes comprises entre 70 et 85 bars. Dans la première variante du premier procédé selon l'invention, illustrée par la Figure 3, l'installation 10 comprend en outre un troisième cycle de réfrigération 59 fermé, indépendant des cycles 15 et 21.
Le troisième cycle 59 comporte un compresseur secondaire 61 entraîné par la source d'énergie externe 33, des premier et deuxième réfrigérants secondaires 63A et 63B, et une vanne de détente 65.
Ce cycle est mis en œuvre à l'aide d'un courant 67 de fluide réfrigérant secondaire formé de propane liquide. Le courant 67 est introduit dans le deuxième échangeur thermique 23 parallèlement au courant 42 de fluide réfrigérant issu de l'échangeur thermique 19, et à contre-courant du courant de fluide réfrigérant comprimé 45.
La vaporisation du courant de propane 67 dans le deuxième échangeur thermique 23 refroidit le courant 45 par échange thermique et produit un courant de propane réchauffé 69. Ce courant 69 est ensuite comprimé dans le compresseur 61, puis refroidi et condensé dans les réfrigérants 63A et 63B pour former un courant 71 de propane comprimé liquide. Ce courant 71 est détendu dans la vanne 65 pour former le courant 67 de propane réfrigérant.
La puissance consommée par le compresseur 61 représente environ 5% de la puissance totale fournie par la source d'énergie 33. Toutefois, comme illustré par la Figure 4, la courbe 73 de l'efficacité en fonction de la pression haute pour cette première variante de procédé montre que l'efficacité du cycle 21 dans le deuxième procédé est augmentée d'environ 5% par rapport au premier procédé selon l'invention dans la gamme de pressions hautes considérée. Par ailleurs, la diminution de puissance totale consommée pour une pression haute de 80 bars est supérieure à 12%, par rapport à un procédé de l'état de la technique.
La deuxième variante de la première installation illustrée par la Figure 5 diffère de la première variante par les caractéristiques suivantes. Le fluide réfrigérant utilisé dans le troisième cycle 59 comprend au moins 30% molaire d'éthane. Dans l'exemple illustré, ce cycle comprend environ 50% molaire d'éthane et 50% molaire de propane.
Par ailleurs, le courant de fluide réfrigérant secondaire 71 obtenu à la sortie du deuxième réfrigérant secondaire 63B est introduit dans le deuxième échangeur thermique 23 où il est sous-refroidi, avant sa détente dans la vanne 65, à contre-courant du courant détendu 67.
Comme illustré par la courbe 75 de l'efficacité du procédé sur la Figure 4, l'efficacité moyenne du cycle 21 augmente d'environ 0,7% par rapport à la deuxième variante représentée sur la Figure 3.
A titre d'illustration, les valeurs de pressions, des températures et des débits dans le cas où la pression haute est égale à 80 bars sont données dans le tableau ci-dessous.
TABLEAU 1
La deuxième installation 79 selon l'invention représentée sur la Figure 6 diffère de la première installation 10 en ce qu'elle comprend en outre un troisième échangeur thermique 81 interposé entre le premier échangeur thermique 19 et le deuxième échangeur thermique 23.
L'appareil de compression 25 comprend en outre un quatrième étage de compression 26D interposé entre le deuxième étage de compression 26B et le troisième étage de compression 26C.
Le compresseur 27D du quatrième étage 26D est accouplé à une turbine secondaire 83 de détente.
Le deuxième procédé selon l'invention, mis en oeuvre dans cette deuxième installation 79, diffère du premier procédé en ce que le courant 84 issu du deuxième réfrigérant 29B est introduit dans le quatrième compresseur 27D puis refroidi dans le quatrième réfrigérant 29D avant d'être introduit dans le troisième compresseur 27C.
Par ailleurs, le courant 47 de fluide réfrigérant refroidi comprimé obtenu à la sortie du deuxième échangeur thermique 23 est séparé en un courant de sous-refroidissement 85 et un courant de refroidissement secondaire 87. Le rapport du débit du courant de sous-refroidissement 85 au courant de refroidissement secondaire 87 est supérieur à 1.
Le courant de sous-refroidissement 85 est introduit dans le troisième échangeur thermique 81 , où il est refroidi pour former un courant de sous- refroidissement refroidi 89. Ce courant 89 est alors introduit dans la turbine 31 , où il est détendu. Le courant de sous-refroidissement détendu 90 à la sortie de la turbine 31 est sous forme gazeuse. Le courant 90 est introduit dans le premier échangeur thermique 19 où il sous-refroidit le courant de GNL 11 par échange thermique et forme un courant de sous-refroidissement réchauffé 93.
Le courant de refroidissement secondaire 87 est amené jusqu'à la turbine secondaire 83, où il est détendu pour former un courant de refroidissement secondaire détendu 91 sous forme gazeuse. Le courant 91 est mélangé avec le courant 93 de sous-refroidissement réchauffé issu du premier échangeur thermique 19, en un point situé en amont du troisième échangeur thermique 81. Le mélange ainsi obtenu est introduit dans le troisième échangeur thermique 81 où il refroidit le courant de sous-refroidissement 85, pour former le courant 42.
En variante, la deuxième installation 79 selon l'invention présente un troisième cycle de réfrigération 59 au propane ou à base d'un mélange éthane- propane qui refroidit le deuxième échangeur thermique 23. Le troisième cycle 59 est identique structurellement aux troisièmes cycles 59 représentés respectivement sur les Figures 3 et 5.
La Figure 7 illustre la courbe 95 de l'efficacité du cycle 21 en fonction de la pression haute lorsque l'installation représentée sur la Figure 6 est dépourvue de cycle réfrigérant, tandis que les courbes 97 et 99 représentent l'efficacité du cycle 21 en fonction de la pression lorsque des troisièmes cycles de réfrigération 59 respectivement au propane ou à base d'un mélange de propane et d'éthane sont utilisés. Comme l'illustre la Figure 7, l'efficacité du cycle 21 est augmentée par rapport à un cycle comprenant uniquement de l'azote comme fluide réfrigérant (courbe 51).
La troisième installation 100 selon l'invention, représentée sur la Figure 8, diffère de la deuxième installation 79 par les caractéristiques suivantes. L'appareil de compression 25 ne comprend pas de troisième étage
27C de compression. Par ailleurs, l'installation comprend une turbine de détente dynamique 99 qui permet la liquéfaction du fluide détendu. Cette turbine 99 est accouplée à un générateur de courant 99A.
Le troisième procédé selon l'invention, mis en œuvre dans cette installation 100, diffère du deuxième procédé par le rapport du débit du courant de sous-refroidissement 85 au débit du courant de refroidissement secondaire 87, lequel rapport est inférieur à 1.
Par ailleurs, à la sortie du troisième échangeur 81, le courant de sous- refroidissement refroidi 89 est introduit dans le premier échangeur thermique 19, où il est de nouveau refroidi avant son introduction dans la turbine 99. Le courant de sous-refroidissement détendu 101 issu de la turbine 99 est totalement liquide. Par suite, le courant liquide 101 est vaporisé dans le premier échangeur thermique 19, à contre-courant d'une part, du courant 11 de GNL à sous-refroidir et, d'autre part, du courant de sous-refroidissement refroidi 89 circulant dans le premier échangeur 19.
Le courant de refroidissement secondaire 91 est sous forme gazeuse à la sortie de la turbine secondaire 83.
Dans cette installation, le fluide réfrigérant circulant dans le premier cycle 21 comprend de préférence un mélange d'azote et de méthane, le pourcentage molaire d'azote dans ce mélange étant inférieur à 50%. De manière avantageuse, le fluide réfrigérant comprend également un hydrocarbure en C2, par exemple de l'éthylène, à une teneur inférieure à 10 %. Le rendement du procédé est encore amélioré, comme l'illustre la courbe d'efficacité 103 du cycle 21 en fonction de la pression sur la Figure 9. En variante, un troisième cycle 59 de réfrigération au propane, ou à base d'un mélange éthane-propane, du type décrit sur les Figures 3 et 5, est utilisé pour refroidir le deuxième échangeur thermique 23. Les courbes 105 et 107 d'efficacité du cycle 21 en fonction de la pression pour ces deux variantes sont représentées sur la Figure 9, et montrent également une augmentation de l'efficacité du cycle 21 sur la gamme de pressions hautes considérée.
Ainsi, le procédé selon l'invention permet de disposer d'un procédé de sous-refroidissement flexible et facile à mettre en oeuvre dans une installation qui produit du GNL soit comme produit principal, par exemple dans une unité de production de GNL, soit comme produit secondaire, par exemple dans une unité d'extraction de liquides du gaz naturel (LGN).
L'utilisation pour le sous-refroidissement de GNL d'un mélange de fluides réfrigérants comprenant de l'azote dans un cycle dit de Brayton inversé, augmente considérablement le rendement de ce cycle, ce qui réduit les coûts de production du GNL dans l'installation.
L'utilisation d'un cycle de refroidissement secondaire pour refroidir le fluide réfrigérant, avant sa compression adiabatique, améliore sensiblement le rendement de l'installation. Les valeurs d'efficacité obtenues ont été calculées avec une différence moyenne de température dans le premier échangeur thermique 19 supérieure ou égale à 40C. Toutefois, en réduisant cette différence de température moyenne, le rendement du cycle dit de Brayton inversé peut dépasser 50%, ce qui est comparable au rendement d'un cycle à condensation et vaporisation utilisant un mélange d'hydrocarbures mis en œuvre de manière classique pour la liquéfaction et le sous-refroidissement du GNL.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de sous-refroidissement d'un courant (11) de GNL obtenu par refroidissement au moyen d'un premier cycle de réfrigération (15), le procédé étant du type comprenant les étapes suivantes : (a) on introduit le courant de GNL (11) porté à une température inférieure à - 900C dans un premier échangeur thermique (19) ;
(b) on sous-refroidit le courant de GNL (11) dans le premier échangeur thermique (19) par échange thermique avec un fluide réfrigérant (41) ;
(c) on fait subir au fluide réfrigérant (41) un deuxième cycle de réfrigération fermé (21), indépendant dudit premier cycle (15), le cycle de réfrigération fermé (21) comprenant les phases successives suivantes :
(i) on réchauffe le fluide réfrigérant (42) issu du premier échangeur thermique (19), maintenu à une pression basse, dans un deuxième échangeur thermique (23) ; (ii) on comprime le fluide réfrigérant (43) issu du deuxième échangeur thermique (23) dans un appareil de compression (25), jusqu'à une pression haute supérieure à sa pression critique ;
(iii) on refroidit le fluide réfrigérant (45) provenant de l'appareil de compression (25) dans le deuxième échangeur thermique (23) ; (iv) on détend dynamiquement au moins une partie du fluide réfrigérant (47 ; 85) issu du deuxième échangeur thermique (23) dans une turbine froide (31 ; 99) jusqu'à une pression basse ;
(v) on introduit le fluide réfrigérant (41 ; 101) issu de la turbine froide (31 ; 99) dans le premier échangeur thermique (19) ; caractérisé en ce que le fluide réfrigérant (41) comprend un mélange d'azote et de méthane.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la teneur molaire en méthane dans le fluide réfrigérant est comprise entre 5 et 15%.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors de l'étape (iii), on met le fluide réfrigérant (45) provenant de l'appareil de compression (25) en relation d'échange thermique avec un fluide réfrigérant secondaire (67) circulant dans le deuxième échangeur thermique (23), le fluide réfrigérant secondaire (67) subissant un troisième cycle de réfrigération (59) dans lequel on le comprime à la sortie du deuxième échangeur thermique (23), on le refroidit et on le condense au moins partiellement, puis on le détend avant de le vaporiser dans le deuxième échangeur thermique (23).
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant secondaire (67) comprend du propane.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant secondaire comprend un mélange d'éthane et de propane, notamment un mélange comprenant environ 50% molaire d'éthane et 50% molaire de propane.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que, après l'étape (iii),
(iii1) on sépare le fluide réfrigérant (47) issu de l'appareil de compression (25) en un courant de sous-refroidissement (85) et un courant de refroidissement secondaire (87) ; (iii2) on détend le courant de refroidissement secondaire (87) dans une turbine secondaire (83) ;
(1113) on mélange le courant de refroidissement secondaire (91) issu de la turbine secondaire (83) au courant (93) de fluide réfrigérant issu du premier échangeur thermique (19) pour former un courant de mélange réfrigérant ;
(1114) on met le courant de sous-refroidissement (85) issu de l'étape (iii1) en relation d'échange thermique avec le courant de mélange réfrigérant dans un troisième échangeur thermique (81) ;
(1115) on introduit le courant de sous-refroidissement (85) issu du troisième échangeur thermique (81) dans la turbine froide (31 ; 99).
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la turbine secondaire (83) est accouplée à un compresseur (27D) de l'appareil de compression (25).
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors de l'étape (iv), on maintient le fluide réfrigérant (47) sensiblement sous forme gazeuse dans la turbine froide (31).
9. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que, lors de l'étape (iv), on liquéfie à plus de 95 % en masse le fluide réfrigérant (101) dans la turbine froide (99).
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on refroidit le courant de sous-refroidissement (85) issu du troisième échangeur thermique (81) avant son passage dans la turbine froide (99) par échange thermique avec le fluide réfrigérant (101) circulant dans le premier échangeur thermique (19) à la sortie de la turbine froide (99).
11. Procédé selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant contient un hydrocarbure en C2.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11 , caractérisé en ce que le pourcentage molaire d'azote dans le fluide réfrigérant est inférieur à 50%.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression haute est supérieure à 70 bars environ et la pression basse est inférieure à 30 bars environ.
14. Installation (10 ; 79 ; 100) de sous-refroidissement d'un courant (11) de GNL provenant d'une unité de liquéfaction (13) comprenant un premier cycle de réfrigération (15), l'installation (10 ; 79 ; 100) étant du type comprenant : - des moyens de sous-refroidissement du courant de GNL (11) comprenant un premier échangeur thermique (19) pour mettre le courant de GNL en relation d'échange thermique avec un fluide réfrigérant (41) ; et - un deuxième cycle de réfrigération fermé (21) indépendant du premier cycle (15) et comportant :
• un deuxième échangeur thermique (23) comprenant des moyens de circulation du fluide réfrigérant (42) issu du premier échangeur thermique (19) ; • un appareil (25) de compression du fluide réfrigérant issu du deuxième échangeur thermique (23), apte à porter ledit fluide réfrigérant à une pression haute supérieure à sa pression critique ;
• des moyens de circulation du fluide réfrigérant (45) issu des moyens de compression (25) dans le deuxième échangeur thermique (23) ; • une turbine froide (31 ; 99) de détente dynamique d'au moins une partie (47 ; 85) du fluide réfrigérant issu du deuxième échangeur thermique (23) ; et
• des moyens d'introduction du fluide réfrigérant (41 ; 101) issu de la turbine froide (31 ; 99) dans le premier échangeur thermique (19) ; caractérisée en ce que le fluide réfrigérant (41) comprend un mélange d'azote et de méthane.
15. Installation (10 ; 79 ; 100) selon la revendication 14, caractérisée en ce que la teneur molaire en méthane dans le fluide réfrigérant est comprise entre 5 et 15%.
16. Installation (10 ; 79 ; 100) selon l'une des revendications 14 ou 15, caractérisée en ce que le deuxième échangeur thermique (23) comprend des moyens de circulation d'un fluide réfrigérant secondaire (67), l'installation (10 ; 79 ; 100) comprenant un troisième cycle de réfrigération (59) comportant successivement des moyens de compression secondaire (61) du fluide réfrigérant secondaire (67) issu du deuxième échangeur thermique (23), des moyens de refroidissement (63), et de détente (65) du fluide réfrigérant secondaire issu des moyens de compression secondaire (61), et des moyens d'introduction du fluide réfrigérant secondaire (67) issu des moyens de détente (65) dans le deuxième échangeur thermique (23).
17. Installation (10 ; 79 ; 100) selon la revendication 16, caractérisée en ce que le fluide réfrigérant secondaire (67) comprend du propane.
18. Installation (10 ; 79 ; 100) selon la revendication 17, caractérisée en ce que le fluide réfrigérant secondaire comprend un mélange d'éthane et de propane, notamment un mélange comprenant 50% molaire d'éthane et 50% molaire de propane.
19. Installation (10 ; 79 ; 100) selon l'une quelconque des revendications 14 à 18, caractérisée en ce qu'elle comprend :
- des moyens de séparation du fluide réfrigérant (47) issu de l'appareil de compression (25) pour former un courant de sous-refroidissement (85) et un courant de refroidissement secondaire (87) ;
- une turbine secondaire (83) de détente du courant de refroidissement secondaire (87) ;
- des moyens de mélange du courant de refroidissement secondaire (91) issu de la turbine secondaire (83) au courant (93) de fluide réfrigérant issu du premier échangeur thermique (19) pour former un courant de mélange ;
- un troisième échangeur thermique (81) pour mettre le courant de sous-refroidissement (85) issu des moyens de séparation en relation d'échange thermique avec le courant de mélange ; et - des moyens d'introduction du courant de sous-refroidissement (85) issu du troisième échangeur thermique (81) dans la turbine froide (31 ; 99).
20. Installation (10 ; 79) selon la revendication 19, caractérisée en ce que la turbine secondaire (83) est accouplée à un compresseur (27D) de l'appareil de compression (25).
21. Installation selon l'une des revendications 19 ou 20, caractérisée en ce que la turbine froide est apte à liquéfier à plus de 95% en masse le fluide réfrigérant.
22. Installation selon la revendication 21, caractérisée en ce que le pourcentage molaire d'azote dans le fluide réfrigérant est inférieur à 50%.
23. Installation (100) selon l'une quelconque des revendications 19 à 22, caractérisée en ce qu'elle comprend, en amont de la turbine froide (99), des moyens d'introduction du courant de sous-refroidissement (89) issu du troisième échangeur thermique (81) dans le premier échangeur thermique (19) pour le mettre en relation d'échange thermique avec le fluide réfrigérant (101) circulant dans le premier échangeur thermique (19) à la sortie de la turbine froide (99).
24. Installation (100) selon la revendication 23, caractérisée en ce que le fluide réfrigérant contient un hydrocarbure en Cz-
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