EP2697583A2 - Method and apparatus for liquefying a gas or cooling a feed gas at supercritical pressure - Google Patents

Method and apparatus for liquefying a gas or cooling a feed gas at supercritical pressure

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EP2697583A2
EP2697583A2 EP12722405.3A EP12722405A EP2697583A2 EP 2697583 A2 EP2697583 A2 EP 2697583A2 EP 12722405 A EP12722405 A EP 12722405A EP 2697583 A2 EP2697583 A2 EP 2697583A2
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EP
European Patent Office
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gas
heat exchanger
cooled
expanded
exchanger
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12722405.3A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Arthur Darde
Xavier Traversac
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for liquefying a gas for supplying or cooling a feed gas, said method being for liquefying a gas or cooling a supercritical pressure feed gas.
  • supercritical pressure for example a gas rich in carbon dioxide, containing for example at least 60 mol%. of carbon dioxide, or at least 80 mol% of carbon dioxide.
  • the gas is condensed or the supercritical pressure gas, for example C0 2 , is cooled against an available cold source.
  • This source can be a flow of air or water at a pressure of between 70 and 100 bar.
  • the condensed or cooled gas must then be sub-cooled in an exchanger before dividing it to form several liquid flow rates which are then vaporized at different pressure levels. These different pressure levels are achieved by relaxing at least one of the liquid flow rates.
  • the liquids are vaporized in the exchanger to provide cold, while the remaining liquid production is sent to storage.
  • the disadvantage of the basic scheme is to sub-cool the liquid or gas down to -50 ° C in one step, which amounts to imposing on the entire exchange line its high design pressure which may be higher at 80 bars. This high pressure creates constraints on the exchanger whose passage section must be reduced, as well as the number of boxes for the entry or exit of fluid.
  • the invention aims to sub-cool the liquid or the gas cooled in a simple exchanger with two fluids and sized for the maximum pressure.
  • the subcooled liquid is then expanded, but at a pressure high enough not to vaporize.
  • the next exchanger generally more complex, can be dimensioned with a pressure stress significantly lower.
  • the expanded liquid or the expanded gas downstream of the first exchanger will also be separated into two streams.
  • One of them is under cooling only so as to be able to relax at a pressure of about 18 to 26 bar (which corresponds to the suction pressure of the third compression wheel when there are four until at condensing pressure) without gas production (which avoids the investment of a separator pot).
  • These two flows actually feed the two higher pressure sprays ("HP" and "HHP"). This avoids sub-cooling these liquids to -50 ° C, which induced significant energy losses by thermal difference. In these cases, it could not get the fluid to an intermediate level because it increases the number of boxes on the exchanger.
  • the present invention aims to reduce the cost and complexity of the exchange line of a liquefier.
  • a method for liquefying a feed gas or cooling a feed gas at supercritical pressure for example a gas rich in carbon dioxide, in which one condensing the mixed feed gas with a cycle gas to form a liquid at the first pressure or cooling the feed gas mixed with a cycle gas to form a gas cooled at the first pressure if it is supercritical, the cooled liquid or gas is cooled at the first pressure in a first heat exchanger, the cooled liquid or the cooled gas is discharged from the first exchanger and is expanded to a second pressure lower than the first pressure to form a flow expanded, at least a portion of the expanded flow is cooled in a second heat exchanger, the expanded flow of the second heat exchanger is removed, it is divided into at least two parts, one of which first part and a second part, the first part of the expanded flow constitutes the liquefied product, the second part and preferably a third part vaporises in the second heat exchanger and the at least one cycle gas thus formed is thus
  • a portion of the expanded flow cools in the second heat exchanger to an intermediate temperature thereof and at least a fraction of this portion is expanded, is heated in the second heat exchanger and is sent to the compressor or a compressors, possibly after being compressed.
  • the flow rates sent to the first exchanger have a pressure greater than 40 bar.
  • the cooled liquid or gas is cooled at the first pressure in a first heat exchanger only by heat exchange with only one other fluid.
  • At least a portion of the expanded flow rate is cooled in a second heat exchanger by heat exchange with several other fluids.
  • an apparatus for liquefying a feed gas or cooling a feed gas comprising a compressor, a first heat exchanger, a second heat exchanger separate from the first heat exchanger, condensing or cooling means connected to the compressor, a pipe for supplying the mixed feed gas with a cycle gas to the condensing or cooling means, a pipe for bringing at least a part of the condensed liquid or gas cooled by the condensing or cooling means at the first exchanger to form a cooled liquid or a gas cooled at the first pressure, a valve, a pipe for sending the liquid cooled or the gas cooled to the valve to relax to a second pressure lower than the first pressure to form a expanded flow, a pipe to send at least a portion of the expanded flow to the second heat exchanger, a pipe to exit the expanded flow rate of the second heat exchanger, a pipe for conveying a first portion of the expanded flow constituting the liquefied product, conduits for supplying a second and
  • the apparatus may include:
  • the first exchanger may comprise only means allowing the exchange of heat between only two fluids, for example only two sets of exchange passages.
  • the second exchanger may comprise means for exchanging heat between at least three fluids, preferably at least six fluids.
  • the second heat exchanger may be connected to the pipes to cause a second and a third portion of the expanded flow to vaporize.
  • the first exchanger may be a brazed aluminum plate and fin heat exchanger.
  • the first exchanger may be a tube and shell exchanger.
  • the phase separator upstream of the first exchanger can be eliminated, the calender fulfilling this role.
  • a feed gas 1 can be a gas rich in carbon dioxide containing 98% carbon dioxide and 2% nitrogen.
  • the gas 1 is compressed in a compressor C3 to a pressure of 43 bar. Then it is compressed to 80 bar in a C4 compressor.
  • the gas at 80 bar is cooled in an E4 cooler to produce a supercritical gas 5.
  • the gas 5 is cooled in a first exchanger E1 and then expanded in a valve 9 to a pressure of 55 bar without producing gas but producing liquids 1 1, 13.
  • the compressed gas in the compressor C4 is at a subcritical pressure, it will be condensed in the cooler E4 and the liquid formed will be cooled in the first exchanger E1 and then expanded in a valve 9 to a pressure of 55 bar without producing gas.
  • the first heat exchanger E1 is a brazed aluminum plate and fin heat exchanger or a shell and tube heat exchanger, for example.
  • the expanded liquid is divided into two flow rates 1 1, 13.
  • the liquid 13 is cooled in a second exchanger E2 to the cold end thereof.
  • the liquid 13 is divided into three. Part 18 constitutes the liquid production of the process and is sent to a storage at 7 bar.
  • a portion 7 is expanded to 12 bar without producing gas, heated in the second exchange E2 and sent upstream of a compressor C2.
  • the remaining portion is expanded in a valve 43 and sent to a phase separator 35.
  • the gaseous fraction 37 formed in the phase separator and the liquid fraction 39 heat up separately in the second E2 exchanger, which is a brazed aluminum plate heat exchanger.
  • the liquid fraction vaporizes and is mixed with the gaseous fraction, the mixture being sent to the compressor C1.
  • the compressed flow rate in the compressor C1 is mixed with the flow rate 7 and compressed in the compressor C2 before being mixed with the
  • the other liquid portion 1 1 from the valve 9 is cooled to an intermediate temperature of the exchanger E2. Then the part is divided into two flows.
  • the flow 17 is expanded to 43 bar in a valve 21 without producing gas and heated in the first exchanger E2 before being recycled upstream of the compressor C4 at 43 bar.
  • the gas formed in the separator pot bypasses the exchanger E2 and mixes with the vaporized liquid upstream of the compressor C4.
  • the other flow 15 is expanded in a valve 55 of 55 bar at between 18 and 26 bar, without production of gas, for example at 24 bar. Then the flow 15 is returned to the second exchanger E2 at an intermediate temperature, heated and recycled downstream of the compressor C2 and upstream of the compressor C3.
  • the flow 17 is not cooled in the second exchanger E2 but is expanded without being cooled beyond the coldest temperature of the exchanger E2 until at 43 bar in a valve 21 and sent to a separator pot 22.
  • the formed liquid 28 heats up and vaporizes in the first exchanger E2 before being recycled upstream of the compressor C4 at 43 bar.
  • the gas 26 formed in the separator pot bypasses the exchanger E2 and mixes with the vaporized liquid 28 upstream of the compressor C4.
  • the liquid formed in the phase separator 22 is divided in two. Part 13 cools completely in the second exchanger E2 and the other flow 28 vaporizes in the first exchanger E1 before being mixed at the first flow.
  • the exchanger E2A To reduce the cost of the exchanger E2, it is divided into two exchangers E2, E2A.
  • the liquid flow of the phase separator 35 is divided into two parts. One part 39 heats up in the exchanger E2A and the other heats up in parallel in the exchanger E2A.
  • the flow 18 can be further treated by separation in phase separators P1, P2, P3 at subambient temperature.
  • the flow 18 expanded in a valve 49 is sent to the phase separator P1.
  • the liquid 23 of the phase separator is vaporized in the exchanger E2A and then sent to the phase separator P3 to produce a flow rate of liquid C0 2.
  • the overhead gas 27 of the separator P3 and the overhead gas of the separator P1 are mixed, heated in the exchanger E2A, compressed by a compressor C5, if necessary, cooled in an exchanger 31 and then cooled in the exchanger E2A before being sent to a phase separator P2.
  • the overhead gas 33 of the separator P2 is heated in the exchanger E2A and the trough liquid 36 is sent to the separator P1.
  • Figure 4 shows a more complex version of Figure 3 where three flow rates 5, 7, 9 at three different pressures vaporize in the second exchanger E2.
  • the first exchanger E1 contains only two series of passages and thus allows the exchange of heat between two single fluids.
  • the second exchanger E2 has a gas inlet box.
  • No flow sent to the second exchanger E2 has a pressure greater than 60 bar.
  • the two flow rates 5, 17 sent to the first exchanger E2 have a pressure greater than 40 bar.
  • H H P denotes "very high pressure”
  • HP high pressure
  • M P medium pressure
  • B P low pressure
  • the compressors C1, C2, C3, C4 can constitute stages of one or two compressors.
  • FIG. 1 to 4 show the separation of a flow 1 which is introduced at the inlet pressure of the compressor C3. It is obvious that the flow can be introduced at the inlet of another of the compressors, C1, C2, C4, or even at the outlet of the compressor C4 if it is at very high pressure.
  • the vaporization of the cycle liquid takes place at as much pressure as there are compression stages C1, C2, C3, C4, four of which can be an optimum.

Abstract

The invention relates to a method for liquefying a feed gas or cooling a feed gas at supercritical pressure, in which the feed gas mixed with a cycle gas is condensed or cooled in order to form a supercritical gas or liquid at the first pressure, the liquid at the first pressure is cooled in a first heat exchanger (E2), the cooled liquid is removed from the first exchanger and expanded up to a second pressure that is lower than the first pressure in order to form an expanded flow, at least one portion of the expanded flow is cooled in a second heat exchanger, the expanded flow is removed from the second heat exchanger (E2), said flow is split into at least two portions, including a first portion and a second portion, the first portion of the expanded flow constituting the liquefied product, the second portion and preferably a third portion being vaporised in the second heat exchanger and the thus-formed at least one cycle gas is then mixed with the feed gas and compressed in a compressor, before or after being mixed with the feed gas.

Description

Procédé et appareil de liquéfaction d'un gaz ou refroidissement d'un gaz d'alimentation à pression supercritique L'invention est relative à un procédé et un appareil de liquéfaction d'un gaz d'alimentation ou refroidissement d'un gaz d'alimentation à pression supercritique, par exemple un gaz riche en dioxyde de carbone, contenant par exemple au moins 60% mol. de dioxyde de carbone, voire au moins 80% mol de dioxyde de carbone.  The invention relates to a method and an apparatus for liquefying a gas for supplying or cooling a feed gas, said method being for liquefying a gas or cooling a supercritical pressure feed gas. supercritical pressure, for example a gas rich in carbon dioxide, containing for example at least 60 mol%. of carbon dioxide, or at least 80 mol% of carbon dioxide.
Selon ce procédé, on condense le gaz ou on refroidit le gaz à pression supercritique, par exemple du C02, contre une source de froid disponible. Cette source peut être un débit d'air ou d'eau à une pression d'entre 70 et 100 bars. Il faut ensuite sous-refroidir le gaz condensé ou refroidi dans un échangeur avant de le diviser pour former plusieurs débits liquides qui sont ensuite vaporisés à différents niveaux de pression. Ces niveaux de pression différents sont atteints en détendant au moins un des débits liquides. Les liquides sont vaporisés dans l'échangeur pour fournir du froid, tandis que la production liquide restante est envoyée aux stockages. According to this method, the gas is condensed or the supercritical pressure gas, for example C0 2 , is cooled against an available cold source. This source can be a flow of air or water at a pressure of between 70 and 100 bar. The condensed or cooled gas must then be sub-cooled in an exchanger before dividing it to form several liquid flow rates which are then vaporized at different pressure levels. These different pressure levels are achieved by relaxing at least one of the liquid flow rates. The liquids are vaporized in the exchanger to provide cold, while the remaining liquid production is sent to storage.
L'inconvénient du schéma de base est de sous-refroidir le liquide ou le gaz jusqu'à -50°C en une étape, ce qui revient à imposer à toute la ligne d'échange sa pression de conception élevée qui peut être est supérieur à 80 bars. Cette forte pression crée des contraintes sur l'échangeur dont la section de passage doit être réduite, ainsi que le nombre de boites permettant l'entrée ou la sortie de fluide.  The disadvantage of the basic scheme is to sub-cool the liquid or gas down to -50 ° C in one step, which amounts to imposing on the entire exchange line its high design pressure which may be higher at 80 bars. This high pressure creates constraints on the exchanger whose passage section must be reduced, as well as the number of boxes for the entry or exit of fluid.
L'invention vise à sous-refroidir le liquide ou le gaz refroidi dans un échangeur simple à deux fluides et dimensionné pour la pression maximale. Le liquide sous-refroidi est alors détendu, mais à une pression suffisamment élevée pour ne pas se vaporiser. L'échangeur suivant, généralement plus complexe, peut ainsi être dimensionné avec une contrainte en pression nettement plus faible.  The invention aims to sub-cool the liquid or the gas cooled in a simple exchanger with two fluids and sized for the maximum pressure. The subcooled liquid is then expanded, but at a pressure high enough not to vaporize. The next exchanger, generally more complex, can be dimensioned with a pressure stress significantly lower.
Il est nécessaire de prendre garde à ne pas trop détendre le liquide sous- refroidi ou gaz refroidi entre les deux échangeurs pour éviter une phase gaz qui tournerait en rond, et qui imposerait d'utiliser un pot de séparation gaz/liquide De préférence, on séparera aussi le liquide détendu ou le gaz détendu en aval du premier échangeur en deux flux. L'un d'eux est sous refroidi uniquement de manière à pouvoir détendre à une pression d'environ 18 à 26 bars (ce qui correspond à la pression d'aspiration de la troisième roue de compression lorsqu'il y en a quatre jusqu'à la pression de condensation) sans production de gaz (ce qui évite l'investissement d'un pot séparateur). Ces deux flux alimentent en fait les deux vaporisations à plus haute pression (« HP » et « HHP »). Cela évite de sous- refroidir ces liquides à -50°C environ, ce qui induisait des pertes énergétiques importantes par écart thermique. Dans ces cas, on ne pouvait sortir le fluide à un niveau intermédiaire car cela augmente le nombre de boites sur l'échangeur. It is necessary to be careful not to excessively relax the subcooled liquid or cooled gas between the two exchangers to avoid a gas phase which would turn in a circle, and which would require the use of a gas / liquid separation pot Preferably, the expanded liquid or the expanded gas downstream of the first exchanger will also be separated into two streams. One of them is under cooling only so as to be able to relax at a pressure of about 18 to 26 bar (which corresponds to the suction pressure of the third compression wheel when there are four until at condensing pressure) without gas production (which avoids the investment of a separator pot). These two flows actually feed the two higher pressure sprays ("HP" and "HHP"). This avoids sub-cooling these liquids to -50 ° C, which induced significant energy losses by thermal difference. In these cases, it could not get the fluid to an intermediate level because it increases the number of boxes on the exchanger.
La présente invention vise à réduire le coût et la complexité de la ligne d'échange d'un liquéfacteur.  The present invention aims to reduce the cost and complexity of the exchange line of a liquefier.
Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de liquéfaction d'un gaz d'alimentation ou de refroidissement d'un gaz d'alimentation à la pression supercritique, par exemple un gaz riche en dioxyde de carbone, dans lequel on condense le gaz d'alimentation mélangé avec un gaz de cycle pour former un liquide à la première pression ou on refroidit le gaz d'alimentation mélangé avec un gaz de cycle pour former un gaz refroidi à la première pression si celle-ci est supercritique , on refroidit le liquide ou le gaz refroidi à la première pression dans un premier échangeur de chaleur, on sort le liquide refroidi ou le gaz refroidi du premier échangeur et on le détend jusqu'à une deuxième pression inférieure à la première pression pour former un débit détendu, on refroidit au moins une partie d u débit détendu dans un deuxième échangeur de chaleur, on sort le débit détendu du deuxième échangeur de chaleur, on le divise en au moins deux parties dont une première partie et une deuxième partie, la première partie du débit détendu constitue le produit liquéfié, la deuxième et de préférence une troisième partie se vaporise dans le deuxième échangeur de chaleur et le au moins un gaz de cycle ainsi formé est donc mélangé au gaz d'alimentation et comprimé dans un compresseur, après ou avant d'être mélangé au gaz d'alimentation,  According to one object of the invention, there is provided a method for liquefying a feed gas or cooling a feed gas at supercritical pressure, for example a gas rich in carbon dioxide, in which one condensing the mixed feed gas with a cycle gas to form a liquid at the first pressure or cooling the feed gas mixed with a cycle gas to form a gas cooled at the first pressure if it is supercritical, the cooled liquid or gas is cooled at the first pressure in a first heat exchanger, the cooled liquid or the cooled gas is discharged from the first exchanger and is expanded to a second pressure lower than the first pressure to form a flow expanded, at least a portion of the expanded flow is cooled in a second heat exchanger, the expanded flow of the second heat exchanger is removed, it is divided into at least two parts, one of which first part and a second part, the first part of the expanded flow constitutes the liquefied product, the second part and preferably a third part vaporises in the second heat exchanger and the at least one cycle gas thus formed is thus mixed with the gas. supply and compressed in a compressor, after or before being mixed with the feed gas,
Selon d'autres caractéristiques facultatives : - une partie du débit détendu se refroidit dans le deuxième échangeur de chaleur jusqu'à une température intermédiaire de celui-ci et au moins une fraction de cette partie est détendue, se réchauffe dans le deuxième échangeur de chaleur et est envoyée au compresseur ou un des compresseurs, éventuellement après avoir été comprimée. According to other optional features: a portion of the expanded flow cools in the second heat exchanger to an intermediate temperature thereof and at least a fraction of this portion is expanded, is heated in the second heat exchanger and is sent to the compressor or a compressors, possibly after being compressed.
- une partie du débit détendu est détendue de nouveau, se réchauffe dans le premier échangeur de chaleur et est envoyée au compresseur  - part of the expanded flow is expanded again, warms up in the first heat exchanger and is sent to the compressor
- une partie du débit détendu se refroidit dans le deuxième échangeur de chaleur jusqu'à une température intermédiaire de celui-ci avant d'être détendue de nouveau  - a portion of the expanded flow cools in the second heat exchanger to an intermediate temperature thereof before being relaxed again
- seuls le liquide à la première pression et un autre fluide échangent de la chaleur dans le premier échangeur.  - Only the liquid at the first pressure and another fluid exchange heat in the first exchanger.
- aucun débit envoyé au deuxième échangeur n'a une pression supérieure à 60 bars.  - No flow sent to the second exchanger has a pressure greater than 60 bar.
- les débits envoyés au premier échangeur ont une pression supérieure à 40 bars.  - The flow rates sent to the first exchanger have a pressure greater than 40 bar.
- on refroidit le liquide ou le gaz refroidi à la première pression dans un premier échangeur de chaleur seulement par échange de chaleur avec un seul autre fluide.  the cooled liquid or gas is cooled at the first pressure in a first heat exchanger only by heat exchange with only one other fluid.
- on refroidit au moins une partie du débit détendu dans un deuxième échangeur de chaleur par échange de chaleur avec plusieurs autres fluides.  at least a portion of the expanded flow rate is cooled in a second heat exchanger by heat exchange with several other fluids.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de liquéfaction d'un gaz d'alimentation ou de refroidissement d'un gaz d'alimentation comprenant un compresseur, un premier échangeur de chaleur , un deuxième échangeur de chaleur distinct du premier échangeur de chaleur, des moyens de condensation ou de refroidissement reliés au compresseur, une conduite pour amener le gaz d'alimentation mélangé avec un gaz de cycle jusqu'aux moyens de condensation ou de refroidissement, une conduite pour amener au moins une partie du liquide condensé ou du gaz refroidi par les moyens de condensation ou de refroidissement au premier échangeur pour former un liquide refroidi ou un gaz refroidi à la première pression, une vanne, une conduite pour envoyer le liquide refroidi ou le gaz refroidi à la vanne pour le détendre jusqu'à une deuxième pression inférieure à la première pression pour former un débit détendu, une conduite pour envoyer au moins une partie du débit détendu au deuxième échangeur de chaleur, une conduite pour sortir le débit détendu du deuxième échangeur de chaleur, une conduite pour transporter une première partie du débit détendu constituant le produit liquéfié, des conduites pour amener une deuxième et de préférence une troisième partie du débit détendu se vaporiser dans le deuxième échangeur de chaleur pour former un gaz de cycle , au moins une conduite pour amener le gaz de cycle au compresseur, des moyens pour mélanger le gaz de cycle et le gaz d'alimentation en amont ou en aval du compresseur et éventuellement au moins un moyen de compression en amont du compresseur pour comprimer le gaz de cycle . According to another object of the invention, there is provided an apparatus for liquefying a feed gas or cooling a feed gas comprising a compressor, a first heat exchanger, a second heat exchanger separate from the first heat exchanger, condensing or cooling means connected to the compressor, a pipe for supplying the mixed feed gas with a cycle gas to the condensing or cooling means, a pipe for bringing at least a part of the condensed liquid or gas cooled by the condensing or cooling means at the first exchanger to form a cooled liquid or a gas cooled at the first pressure, a valve, a pipe for sending the liquid cooled or the gas cooled to the valve to relax to a second pressure lower than the first pressure to form a expanded flow, a pipe to send at least a portion of the expanded flow to the second heat exchanger, a pipe to exit the expanded flow rate of the second heat exchanger, a pipe for conveying a first portion of the expanded flow constituting the liquefied product, conduits for supplying a second and preferably a third portion of the expanded flow vaporize in the second heat exchanger to form a gas of cycle, at least one pipe for supplying the cycle gas to the compressor, means for mixing the cycle gas and the feed gas upstream or downstream of the compressor and optionally at least one compression means upstream of the compressor for compress the cycle gas.
L'appareil peut comprendre :  The apparatus may include:
une conduite pour envoyer une partie du débit détendu à un moyen de détente et une conduite pour envoyer la partie depuis le moyen de détente au premier échangeur et éventuellement une conduite pour envoyer la partie du débit détendu se refroidir dans le deuxième échangeur de chaleur en amont du moyen de détente.  a pipe for sending a portion of the expanded flow to an expansion means and a pipe for sending the portion from the expansion means to the first heat exchanger and optionally a pipe for sending the expanded flow portion to cool in the second upstream heat exchanger the means of relaxation.
une conduite pour envoyer une partie du débit détendu refroidi dans le deuxième échangeur de chaleur jusqu'à une température intermédiaire de celui-ci à un moyen de détente et une conduite pour envoyer la partie depuis le moyen de détente au deuxième échangeur.  a conduit for feeding a portion of the cooled expanded flow rate into the second heat exchanger to an intermediate temperature thereof to an expansion means and a conduit for supplying the portion from the expansion means to the second exchanger.
Le premier échangeur peut comprendre seulement des moyens permettant l'échange de chaleur entre seulement deux fluides, par exemple seulement deux séries de passages d'échange.  The first exchanger may comprise only means allowing the exchange of heat between only two fluids, for example only two sets of exchange passages.
Le deuxième échangeur peut comprendre des moyens permettant l'échange de chaleur entre au moins trois fluides, de préférence au moins six fluides.  The second exchanger may comprise means for exchanging heat between at least three fluids, preferably at least six fluids.
Le deuxième échangeur peut être relié aux conduites pour amener une deuxième et une troisième partie du débit détendu s'y vaporiser. Le premier échangeur peut être un échangeur en aluminium brasé à plaques et à ailettes. The second heat exchanger may be connected to the pipes to cause a second and a third portion of the expanded flow to vaporize. The first exchanger may be a brazed aluminum plate and fin heat exchanger.
Le premier échangeur peut être un échangeur à tube et à calandre. Dans ce cas, le séparateur de phases en amont du premier échangeur peut être éliminé, la calandre remplissant ce rôle.  The first exchanger may be a tube and shell exchanger. In this case, the phase separator upstream of the first exchanger can be eliminated, the calender fulfilling this role.
Tous les pourcentages relatifs à des puretés sont des pourcentages molaires.  All percentages for purities are molar percentages.
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures qui représentent des procédés selon l'invention.  The invention will be described in more detail with reference to the figures which show methods according to the invention.
Dans la Figure 1 , un gaz d'alimentation 1 pouvant être un gaz riche en dioxyde de carbone contenant 98% de dioxyde de carbone et 2% d'azote. Le gaz 1 est comprimé dans un compresseur C3 jusqu'à une pression de 43 bars. Ensuite il est comprimé jusqu'à 80 bars dans un compresseur C4. Le gaz à 80 bars est refroidi dans un refroidisseur E4 pour produire un gaz supercritique 5. Le gaz 5 est refroidi dans un premier échangeur E1 et ensuite détendu dans une vanne 9 jusqu'à une pression de 55 bars sans produire de gaz mais en produisant des liquides 1 1 , 13.  In Figure 1, a feed gas 1 can be a gas rich in carbon dioxide containing 98% carbon dioxide and 2% nitrogen. The gas 1 is compressed in a compressor C3 to a pressure of 43 bar. Then it is compressed to 80 bar in a C4 compressor. The gas at 80 bar is cooled in an E4 cooler to produce a supercritical gas 5. The gas 5 is cooled in a first exchanger E1 and then expanded in a valve 9 to a pressure of 55 bar without producing gas but producing liquids 1 1, 13.
Alternativement si le gaz comprimé dans le compresseur C4 est à une pression subcritique, il sera condensé dans le refroidisseur E4 et le liquide formé sera refroidi dans le premier échangeur E1 et ensuite détendu dans une vanne 9 jusqu'à une pression de 55 bars sans produire de gaz.  Alternatively, if the compressed gas in the compressor C4 is at a subcritical pressure, it will be condensed in the cooler E4 and the liquid formed will be cooled in the first exchanger E1 and then expanded in a valve 9 to a pressure of 55 bar without producing gas.
Le premier échangeur E1 est un échangeur à plaques et à ailettes en aluminium brasé ou un échangeur à calandre et à tube, par exemple. Le liquide détendu est divisé en deux débits 1 1 , 13. Le liquide 13 est refroidi dans un deuxième échangeur E2 jusqu'au bout froid de celui-ci. Le liquide 13 est divisé en trois. Une partie 18 constitue la production liquide du procédé et est envoyé à un stockage à 7 bars. Une partie 7 est détendue à 12 bars sans produire de gaz, réchauffée dans le deuxième échangeu r E2 et envoyée en amont d'un compresseur C2. La partie restante est détendue dans une vanne 43 et envoyé à un séparateur de phases 35. La fraction gazeuse 37 formée dans le séparateur de phases et la fraction liquide 39 se réchauffent séparément dans le deuxième échangeur E2, qui est un échangeur à plaques en aluminium brasé. La fraction liquide se vaporise et est mélangée avec la fraction gazeuse, le mélange étant envoyé au compresseur C1 . Le débit comprimé dans le compresseur C1 est mélangé avec le débit 7 et com primé dans le compresseur C2 avant d'être mélangé avec le gaz d'alimentation 1 et le débit 15. The first heat exchanger E1 is a brazed aluminum plate and fin heat exchanger or a shell and tube heat exchanger, for example. The expanded liquid is divided into two flow rates 1 1, 13. The liquid 13 is cooled in a second exchanger E2 to the cold end thereof. The liquid 13 is divided into three. Part 18 constitutes the liquid production of the process and is sent to a storage at 7 bar. A portion 7 is expanded to 12 bar without producing gas, heated in the second exchange E2 and sent upstream of a compressor C2. The remaining portion is expanded in a valve 43 and sent to a phase separator 35. The gaseous fraction 37 formed in the phase separator and the liquid fraction 39 heat up separately in the second E2 exchanger, which is a brazed aluminum plate heat exchanger. The liquid fraction vaporizes and is mixed with the gaseous fraction, the mixture being sent to the compressor C1. The compressed flow rate in the compressor C1 is mixed with the flow rate 7 and compressed in the compressor C2 before being mixed with the feed gas 1 and the flow 15.
L'autre partie de liquide 1 1 provenant de la vanne 9 est refroidie jusqu'à une température intermédiaire de l'échangeur E2. Ensuite la partie est divisée en deux débits. Le débit 1 7 est détendu jusqu'à 43 bars dans une vanne 21 sans production de gaz et réchauffé dans le premier échangeur E2 avant d'être recyclé en amont du compresseur C4 à 43 bars. Le gaz formé dans le pot séparateur court-circuite l'échangeur E2 et se mélange avec le liquide vaporisé en amont du compresseur C4. L'autre débit 15 est détendu dans une vanne 19 de 55 bars à entre 18 et 26 bars, sans production de gaz, par exemple à 24 bars. Ensuite le débit 15 est renvoyé au deuxième échangeur E2 à une température intermédiaire, réchauffé et recyclé en aval du compresseur C2 et en amont du compresseur C3.  The other liquid portion 1 1 from the valve 9 is cooled to an intermediate temperature of the exchanger E2. Then the part is divided into two flows. The flow 17 is expanded to 43 bar in a valve 21 without producing gas and heated in the first exchanger E2 before being recycled upstream of the compressor C4 at 43 bar. The gas formed in the separator pot bypasses the exchanger E2 and mixes with the vaporized liquid upstream of the compressor C4. The other flow 15 is expanded in a valve 55 of 55 bar at between 18 and 26 bar, without production of gas, for example at 24 bar. Then the flow 15 is returned to the second exchanger E2 at an intermediate temperature, heated and recycled downstream of the compressor C2 and upstream of the compressor C3.
Dans la Figure 2, à la différence de la Figure 1 , le débit 17 n'est pas refroidi dans le deuxième échangeur E2 mais est détendu, sans avoir été refroidi au-delà de la température la plus froide de l'échangeur E2, jusqu'à 43 bars dans une vanne 21 et envoyé à un pot séparateur 22. Le liquide formé 28 se réchauffe et se vaporise dans le premier échangeur E2 avant d'être recyclé en amont du compresseur C4 à 43 bars. Le gaz 26 formé dans le pot séparateur court-circuite l'échangeur E2 et se mélange avec le liquide vaporisé 28 en amont du compresseur C4.  In FIG. 2, unlike FIG. 1, the flow 17 is not cooled in the second exchanger E2 but is expanded without being cooled beyond the coldest temperature of the exchanger E2 until at 43 bar in a valve 21 and sent to a separator pot 22. The formed liquid 28 heats up and vaporizes in the first exchanger E2 before being recycled upstream of the compressor C4 at 43 bar. The gas 26 formed in the separator pot bypasses the exchanger E2 and mixes with the vaporized liquid 28 upstream of the compressor C4.
Dans la Figure 3, le liquide formé dans le séparateur de phases 22 est divisé en deux. Une partie 13 se refroidit entièrement dans le deuxième échangeur E2 et l'autre débit 28 se vaporise dans le premier échangeur E1 avant d'être mélangé au premier débit.  In Figure 3, the liquid formed in the phase separator 22 is divided in two. Part 13 cools completely in the second exchanger E2 and the other flow 28 vaporizes in the first exchanger E1 before being mixed at the first flow.
Pour rédui re le coût de l 'échangeur E2, celui-ci est divisé en deux échangeurs E2, E2A. Le débit liquide du séparateur de phases 35 est divisé en deux parties. U ne partie 39 se réchauffe dans l'échangeur E2A et l'autre se réchauffe en parallèle dans l'échangeur E2A. Ici nous voyons que le débit 18 peut être traité ultérieurement par séparation dans des séparateurs de phases P1 , P2, P3 à température subambiante. Le débit 18 détendu dans une vanne 49 est envoyé au séparateur de phases P1 . Le liquide 23 du séparateur de phases est vaporisé dans l'échangeur E2A puis envoyé au séparateur de phases P3 pour produire un débit de C02 liquide 25. Le gaz de tête 27 du séparateur P3 et le gaz de tête du séparateur P1 sont mélangés, réchauffés dans l'échangeur E2A, comprimé par un compresseur C5 éventuellement, refroidis dans un échangeur 31 puis refroidi dans l'échangeur E2A avant d'être envoyés à un séparateur de phases P2. Le gaz de tête 33 du séparateur P2 se réchauffe dans l'échangeur E2A et le liquide de cuve 36 est envoyé au séparateur P1 . To reduce the cost of the exchanger E2, it is divided into two exchangers E2, E2A. The liquid flow of the phase separator 35 is divided into two parts. One part 39 heats up in the exchanger E2A and the other heats up in parallel in the exchanger E2A. Here we see that the flow 18 can be further treated by separation in phase separators P1, P2, P3 at subambient temperature. The flow 18 expanded in a valve 49 is sent to the phase separator P1. The liquid 23 of the phase separator is vaporized in the exchanger E2A and then sent to the phase separator P3 to produce a flow rate of liquid C0 2. The overhead gas 27 of the separator P3 and the overhead gas of the separator P1 are mixed, heated in the exchanger E2A, compressed by a compressor C5, if necessary, cooled in an exchanger 31 and then cooled in the exchanger E2A before being sent to a phase separator P2. The overhead gas 33 of the separator P2 is heated in the exchanger E2A and the trough liquid 36 is sent to the separator P1.
Ici on voit q ue le nombre de fluides dans l'échangeur E2 est réduit au minimum puisque seul le débit basse pression 19 s'y vaporise.  Here it is seen that the number of fluids in the exchanger E2 is reduced to a minimum since only the low-pressure flow 19 vaporizes therein.
La Figure 4 présente une version plus complexe de la Figure 3 où trois débits 5, 7, 9 à trois pressions différentes se vaporisent dans le deuxième échangeur E2.  Figure 4 shows a more complex version of Figure 3 where three flow rates 5, 7, 9 at three different pressures vaporize in the second exchanger E2.
Ainsi dans toutes les figures, le premier échangeur E1 ne contient que deux séries de passages et donc permet l'échange de chaleur entre deux seuls fluides. Dans ce procédé, seul le deuxième échangeur E2 a une boîte d'entrée de gaz.  Thus in all the figures, the first exchanger E1 contains only two series of passages and thus allows the exchange of heat between two single fluids. In this process, only the second exchanger E2 has a gas inlet box.
Les refroid isseurs entre les compresseurs C1 , C2, C3 et C4 des Figures 1 et 2 n'ont pas été illustrés pour des raisons de simplification.  The coolers between the compressors C1, C2, C3 and C4 of Figures 1 and 2 have not been illustrated for reasons of simplification.
Aucun débit envoyé au deuxième échangeur E2 n'a une pression supérieure à 60 bars.  No flow sent to the second exchanger E2 has a pressure greater than 60 bar.
Les deux débits 5, 17 envoyés au premier échangeur E2 ont une pression supérieure à 40 bars.  The two flow rates 5, 17 sent to the first exchanger E2 have a pressure greater than 40 bar.
Da ns l es fi g u res , H H P désigne « très haute pression », HP « haute pression » , M P « moyenne pression » et B P « basse pression », les références étant citées en ordre en pression, du plus haut au plus bas.  In the figures, H H P denotes "very high pressure", HP "high pressure", M P "medium pressure" and B P "low pressure", the references being cited in order of pressure, from the highest to the lowest.
Les compresseurs C1 , C2, C3, C4 peuvent constituer des étages d'un ou deux compresseurs.  The compressors C1, C2, C3, C4 can constitute stages of one or two compressors.
Dans les figures, la vaporisation du débit 7 dans le deuxième échangeur E2 n'est pas absolument essentielle mais permet d'améliorer l'efficacité de l'échange. Les figures 1 à 4 présentent la séparation d'un débit 1 qui est introduit à la pression d'entrée du compresseur C3. Il est évident que le débit peut être introduit à l'entrée d'un autre des compresseurs, C1 , C2, C4, voire à la sortie du compresseur C4 s'il est à très haute pression. In the figures, the vaporization of the flow rate 7 in the second exchanger E2 is not absolutely essential, but makes it possible to improve the efficiency of the exchange. Figures 1 to 4 show the separation of a flow 1 which is introduced at the inlet pressure of the compressor C3. It is obvious that the flow can be introduced at the inlet of another of the compressors, C1, C2, C4, or even at the outlet of the compressor C4 if it is at very high pressure.
De préférence la vaporisation du liquide de cycle s'effectue à autant de pression qu'il y a d'étages C1 , C2, C3, C4 de compression, quatre pouvant être un optimum.  Preferably, the vaporization of the cycle liquid takes place at as much pressure as there are compression stages C1, C2, C3, C4, four of which can be an optimum.

Claims

Revendications claims
1. Procédé de liquéfaction d'un gaz d'alimentation ou de refroidissement d'un gaz d'alimentation à la pression supercritique, par exemple un gaz riche en dioxyde de carbone, dans lequel on condense le gaz d'alimentation mélangé avec un gaz de cycle pour former un liquide à la première pression ou on refroidit le gaz d'alimentation mélangé avec un gaz de cycle pour former un gaz refroidi à la première pression si celle-ci est supercritique, on refroidit le liquide ou le gaz refroidi à la première pression dans un premier échangeur de chaleur (E1 ), on sort le liquide refroidi ou le gaz refroidi du premier échangeur et on le détend jusqu'à une deuxième pression inférieure à la première pression pour former un débit détendu, on refroidit au moins une partie du débit détendu dans un deuxième échangeur de chaleur, on sort le débit détendu du deuxième échangeur de chaleur (E2), on le divise en au moins deux parties dont une première partie et une deuxième partie, la première partie du débit détendu constitue le produit liquéfié, la deuxième et de préférence une troisième partie se vaporise dans le deuxième échangeur de chaleur et le au moins un gaz de cycle ainsi formé est donc mélangé au gaz d'alimentation et comprimé dans un compresseur (C2, C3, C4), après ou avant d'être mélangé au gaz d'alimentation. A process for liquefying a feed gas or cooling a supercritical pressure feed gas, for example a gas rich in carbon dioxide, in which the feed gas mixed with a gas is condensed. to form a liquid at the first pressure or the feed gas mixed with a cycle gas is cooled to form a gas cooled at the first pressure if it is supercritical, the cooled liquid or gas is cooled to the first pressure in a first heat exchanger (E1), it leaves the cooled liquid or the cooled gas from the first exchanger and is expanded to a second pressure lower than the first pressure to form a relaxed flow, is cooled at least one part of the flow expanded in a second heat exchanger, the expanded flow of the second heat exchanger (E2) is taken out, it is divided into at least two parts of which a first part and a second part the first part of the expanded flow constitutes the liquefied product, the second part and preferably a third part vaporizes in the second heat exchanger and the at least one cycle gas thus formed is thus mixed with the feed gas and compressed into a compressor (C2, C3, C4) after or before being mixed with the feed gas.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel une partie du débit détendu se refroidit dans le deuxième échangeur de chaleur (E2) jusqu'à une température intermédiaire de celui-ci et au moins une fraction de cette partie est détendue, se réchauffe dans le deuxième échangeur de chaleur et est envoyée au compresseur ou un des compresseurs (C3, C4), éventuellement après avoir été comprimée. 2. Method according to claim 1 wherein a portion of the expanded flow cools in the second heat exchanger (E2) to an intermediate temperature thereof and at least a fraction of this portion is expanded, is heated in the second heat exchanger and is sent to the compressor or one of the compressors (C3, C4), possibly after being compressed.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel une partie du débit détendu est détendue de nouveau, se réchauffe dans le premier échangeur de chaleur (E1 ) et est envoyée au compresseur (C3, C4), éventuellement dans lequel une partie du débit détendu se refroidit dans le deuxième échangeur de chaleur (E2) jusqu'à une température intermédiaire de celui-ci avant d'être détendue de nouveau. 3. The method of claim 1 or 2 wherein a portion of the expanded flow is expanded again, warms in the first heat exchanger (E1) and is sent to the compressor (C3, C4), possibly in which part of the flow The expanded heat exchanger cools down in the second heat exchanger (E2) to an intermediate temperature thereof before being expanded again.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel dans lequel seuls le liquide à la première pression et un autre fluide échangent de la chaleur dans le premier échangeur (E1 ). 4. Method according to one of the preceding claims wherein in which only the liquid at the first pressure and another fluid exchange heat in the first exchanger (E1).
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel aucun débit envoyé au deuxième échangeur (E2) n'a une pression supérieure à 60 bars. 5. Method according to one of the preceding claims wherein no flow sent to the second exchanger (E2) has a pressure greater than 60 bar.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les débits envoyés au premier échangeur (E1 ) ont une pression supérieure à 40 bars. 6. Method according to one of the preceding claims wherein the flow rates sent to the first exchanger (E1) have a pressure greater than 40 bar.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on refroidit le liquide ou le gaz refroidi à la première pression dans un premier échangeur de chaleur (E1 ) seulement par échange de chaleur avec un seul autre fluide. 7. Method according to one of the preceding claims wherein the cooled liquid or gas is cooled at the first pressure in a first heat exchanger (E1) only by heat exchange with only one other fluid.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on refroidit au moins une partie du débit détendu dans un deuxième échangeur de chaleur (E2) par échange de chaleur avec plusieurs autres fluides. 8. Method according to one of the preceding claims wherein is cooled at least a portion of the expanded flow rate in a second heat exchanger (E2) by heat exchange with several other fluids.
9. Appareil de liquéfaction d'un gaz d'alimentation ou de refroidissement d'un gaz d'alimentation supercritique comprenant un compresseur (C3, C4), un premier échangeur de chaleur (E1 ), un deuxième échangeur de chaleur (E2) distinct du premier échangeur de chaleur, des moyens de condensation ou de refroidissement (E4) reliés au compresseur, une conduite pour amener le gaz d'alimentation mélangé avec un gaz de cycle jusqu'aux moyens de condensation ou de refroidissement, une conduite pour amener au moins une partie du liquide condensé ou du gaz refroidi par les moyens de condensation ou de refroidissement au premier échangeur pour former un liquide refroidi ou un gaz refroidi à la première pression, une vanne (9), une conduite pour envoyer le liquide refroidi ou le gaz refroidi à la vanne pour le détendre jusqu'à une deuxième pression inférieure à la première pression pour former un débit détendu, une conduite pour envoyer au moins une partie du débit détendu au deuxième échangeur de chaleur, une conduite pour sortir le débit détendu du deuxième échangeur de chaleur, une conduite pour transporter une première partie du débit détendu constituant le produit liquéfié, des conduites pour amener une deuxième et de préférence une troisième partie du débit détendu se vaporiser dans le deuxième échangeur de chaleur pour former un gaz de cycle , au moins une conduite pour amener le gaz de cycle au compresseur, des moyens pour mélanger le gaz de cycle et le gaz d'alimentation en amont ou en aval du compresseur et éventuellement au moins un moyen de compression (C1 , C2) en amont du compresseur pour comprimer le gaz de cycle . 9. Apparatus for liquefying a feed gas or cooling a supercritical feed gas comprising a compressor (C3, C4), a first heat exchanger (E1), a second heat exchanger (E2) separate of the first heat exchanger, means of condensation or cooling (E4) connected to the compressor, a pipe for supplying the feed gas mixed with a cycle gas to the condensing or cooling means, a pipe for feeding at least a part of the condensed liquid or the cooled gas by means of means for condensing or cooling the first exchanger to form a cooled liquid or a gas cooled at the first pressure, a valve (9), a conduit for sending the cooled liquid or the cooled gas to the valve to relax it to a second pressure lower than the first pressure to form a expanded flow rate, a line for supplying at least a portion of the expanded flow rate to the second heat exchanger, a line for discharging the expanded flow rate of the second heat exchanger, a line for carrying a first portion the expanded flow constituting the liquefied product, conduits for bringing a second and preferably a third part of the die said expanded bit vaporizes in the second heat exchanger to form a cycle gas, at least one line for supplying the cycle gas to the compressor, means for mixing the cycle gas and the feed gas upstream or downstream of the compressor and optionally at least one compression means (C1, C2) upstream of the compressor for compressing the cycle gas.
10. Appareil selon la revendication 9 comprenant une conduite pour envoyer une partie du débit détendu à un moyen de détente (21 ) et une conduite pour envoyer la partie depuis le moyen de détente au premier échangeur (E1 ) et éventuellement une conduite pour envoyer la partie du débit détendu se refroidir dans le deuxième échangeur de chaleur (E2) en amont du moyen de détente. 10. Apparatus according to claim 9 comprising a pipe for sending a portion of the expanded flow rate to an expansion means (21) and a pipe for sending the portion from the expansion means to the first heat exchanger (E1) and optionally a pipe to send the part of the expanded flow cooling in the second heat exchanger (E2) upstream of the expansion means.
1 1. Appareil selon la revendication 9 ou 10 comprenant une conduite pour envoyer une partie du débit détendu refroidi dans le deuxième échangeur de chaleur (E2) jusqu'à une température intermédiaire de celui-ci à un moyen de détente (19) et une conduite pour envoyer la partie depuis le moyen de détente au deuxième échangeur. An apparatus according to claim 9 or 10 comprising a conduit for feeding a portion of the cooled expanded flow rate into the second heat exchanger (E2) to an intermediate temperature thereof to an expansion means (19) and a driving to send the part from the expansion means to the second exchanger.
12. Appareil selon l'une des revendications 9 à 1 1 dans lequel le premier échangeur (E1 ) comprend seulement des moyens permettant l'échange de chaleur entre seulement deux fluides, par exemple seulement deux séries de passages d'échange. 12. Apparatus according to one of claims 9 to 1 1 wherein the first exchanger (E1) comprises only means for the exchange of heat between only two fluids, for example only two sets of exchange passages.
13. Appareil selon l'une des revendications 9 à 12 dans lequel le deuxième échangeur (E2) comprend des moyens permettant l'échange de chaleur entre au moins trois fluides, de préférence au moins six fluides. 13. Apparatus according to one of claims 9 to 12 wherein the second exchanger (E2) comprises means for the exchange of heat between at least three fluids, preferably at least six fluids.
14. Appareil selon la revendication 13 dans lequel le deuxième échangeur (E2) est relié aux conduites pour amener une deuxième et une troisième partie du débit détendu s'y vaporiser. 14. Apparatus according to claim 13 wherein the second heat exchanger (E2) is connected to the pipes to cause a second and a third portion of the expanded flow to vaporize.
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