EP2875294A2 - Procédé de liquéfaction de gaz naturel avec changement de phase - Google Patents

Procédé de liquéfaction de gaz naturel avec changement de phase

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EP2875294A2
EP2875294A2 EP13745449.2A EP13745449A EP2875294A2 EP 2875294 A2 EP2875294 A2 EP 2875294A2 EP 13745449 A EP13745449 A EP 13745449A EP 2875294 A2 EP2875294 A2 EP 2875294A2
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EP
European Patent Office
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exchanger
flow
outlet
refrigerant
refrigerant fluid
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13745449.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Marc Bonnissel
Bertrand DU PARC
Boris BOLOSIER
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Saipem SpA
Original Assignee
Saipem SA
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Publication date
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/60—Expansion by ejector or injector, e.g. "Gasstrahlpumpe", "venturi mixing", "jet pumps"

Definitions

  • the present invention relates to a process for liquefying natural gas to produce LNG, or Liquefied Natural Gas, also called LNG in English. Even more particularly, the present invention relates to the liquefaction of natural gas comprising predominantly methane, preferably at least 85% methane, the other main constituents being chosen from nitrogen and alkanes at C-2 to C-4. namely ethane, propane, butane.
  • the present invention also relates to a liquefaction plant disposed on a ship or floating support at sea, either at open sea or in a protected area, such as a port, or an onshore installation in the case of medium or large units of water. liquefaction of natural gas.
  • Methane-based natural gas is either a by-product of oil fields, produced in small or medium quantities, usually associated with crude oil, or a major product in the case of gas fields, where it is then in combination with other gases, mainly C 2 -C 4 alkanes, CO 2, nitrogen.
  • natural gas is associated with crude oil in small quantities, it is usually processed and separated and then used locally as fuel in turbines or piston engines to produce electrical energy and process calories. separation or production.
  • quantities of natural gas are large, even considerable, it is sought to be transported so that it can be used in remote areas, usually on other continents, and to do this, the preferred method is to transport it to the mainland. state of cryogenic liquid (-165 ° C) substantially at ambient atmospheric pressure.
  • LNG tankers Specialized transport vessels called “LNG tankers” have tanks of very large dimensions and with extreme insulation so as to limit evaporation during the voyage.
  • the liquefaction of the gas for transport is generally carried out near the production site, generally on land, and requires considerable facilities to reach capacities of several million tons per year, the largest existing units include three or four liquefaction units of 3-4 Mt per year of unit capacity.
  • This liquefaction process requires considerable amounts of mechanical energy, the mechanical energy generally being produced in situ by removing a portion of the gas to produce the energy required for the liquefaction process. Part of the gas is then used as fuel in gas turbines, steam boilers or piston engines.
  • thermodynamic cycles have been developed to optimize overall energy efficiency.
  • a first type based on the compression and expansion of coolant, with phase change
  • a second type based on the compression and expansion of refrigerant gas without phase change.
  • refrigerating fluid or "refrigerant gas”
  • methane which gradually cools to reach its liquefaction temperature at atmospheric pressure, that is to say about - 165 ° C in the case of LNG.
  • Said first type of cycle, with phase change, is generally used on installations with a large production capacity requiring a larger quantity of equipment.
  • the refrigerants usually in the form of mixtures, consist of butane, propane, ethane and methane, these gases being dangerous because they risk, in case of leakage, to cause explosions or fires considerable .
  • they despite the complexity of the equipment required, they remain the most efficient and require an energy of about 0.3 kWh per kg of LNG produced.
  • separator tanks To collect the liquid phase and direct it to the heart of the heat exchangers where it will then vaporize on contact with methane to cool and liquefy, to obtain LNG.
  • the second type of liquefaction process a process without phase change of the refrigerant gas
  • This second type of process has an advantage in terms of safety, because the refrigerant gas of the cycle, in general nitrogen, is inert, therefore incombustible, which is very interesting when the installations are concentrated in a small space, for example on the deck of a floating support installed at open sea, said equipment being often installed on several levels, one above the other on a reduced surface to the strict minimum.
  • the efficiency of this second type is lower, since it generally requires an energy of the order of 0.5 kWh / kg of LNG produced, ie approximately 20.84 kW x day / t.
  • the phase change method is more sensitive to variations in the composition of the refrigerant gas.
  • gas to be liquefied namely a natural gas consisting of a mixture in which methane predominates.
  • the refrigerant fluid in order for the yields to remain optimal, the refrigerant fluid must be adapted to the nature and composition of the gas to be liquefied and the composition of the refrigerant fluid must, if necessary, be modified. over time, depending on the composition of the mixture of natural gas to be liquefied produced by the oil field.
  • refrigerant fluids consisting of a mixture of compounds are used. More particularly, the object of the present invention is to provide an improved method of liquefying natural gas with phase change.
  • the present invention relates to a method of liquefying a natural gas comprising predominantly methane, wherein said natural gas to be liquefied by circulating a stream of said natural gas in at least one cryogenic heat exchanger by circulating in circulation.
  • first flow of first refrigerant fluid comprising a first mixture of compounds flowing in at least a first loop in closed circuit with phase change
  • said first flow of first refrigerant entering at a temperature substantially equal to the temperature TO entering said natural gas into said first exchanger and at a pressure P1, passing therethrough cocurrently from said natural gas stream and exiting in the liquid state
  • said first flow of first refrigerant fluid in the liquid state being relaxed in a first expander at the cold end of said first exchanger in the gauze state at a pressure P'1 less than P1 and at a temperature T1 lower than T0, then exiting at its hot end in the gaseous state and substantially at a temperature T0
  • said first flow of first refrigerant fluid in the gaseous state then being at least partially reliquefied and conveyed to the hot inlet of said first exchanger to constitute the feed in said first flow of first refrigerant fluid in the liquid state circulating and closed circuit, liquefaction of said first flow of first refrigerant fluid
  • the object of the present invention is therefore to provide a method of liquefaction of natural gas with phase change as defined above improved, in particular to solve the problem above.
  • the present invention provides a method for liquefying a natural gas comprising predominantly methane, preferably at least 85% methane, the other components comprising essentially nitrogen and C-2 to C alkanes; -4, in which said natural gas to be liquefied is liquefied by circulation of a stream of said natural gas at a pressure PO greater than or equal to atmospheric pressure, preferably PO being greater than atmospheric pressure, in at least one heat exchanger cryogenic circuit by indirect contact with at least a first flow of first refrigerant fluid comprising a first mixture of compounds circulating in at least a first loop in closed circuit with phase change, said first flow of first refrigerant fluid entering said first exchanger to a first inlet of an end called “hot end” at a temperature substantially equal to the natural gas inlet temperature TO in said first exchanger and at a pressure P 1, passing through cocurrent of said natural gas stream and leaving at an end called “cold end” in the liquid state, said first flow first coolant fluid in the liquid state being expanded by a first expand
  • said hot end e of said first exchanger for constituting said first flow of first refrigerant fluid in the liquid state, said first gaseous phase of said first high output refrigerant of said first separator being compressed at substantially the pressure P1 by a second compressor and then condensed at least partially in a second condenser, preferably after mixing with at least a portion of said first liquid phase of first refrigerant.
  • said first gaseous phase of said first refrigerant fluid at the outlet of said second compressor is cooled in a desuperheater by contact with a part of said first liquid phase of first refrigerant at the outlet of said first separator, said part of first liquid phase first refrigerant fluid being micronized and vaporized, preferably fully vaporized, within said desuperheater, before said condensation in said second condenser.
  • said portion of first liquid phase of first refrigerant is less than 10% mass flow, more preferably 2 to 5% of the flow rate of said first liquid phase of first refrigerant, so that it either completely vaporized within said desuperheater and that the first refrigerant at the outlet of said desuperheater is entirely in the gas phase before its at least partial condensation in said second condenser, the flow rate of said portion of first liquid phase of first refrigerant being adjusted using at least one control valve.
  • the vaporization of the first and second streams of first refrigerant fluid by said first and second expansers constitutes the bulk of the heat exchange within said first cryogenic exchanger by cooling said first and second streams of first refrigerant in the gaseous state at within said first exchanger and causing a caloric absorption and cooling of said natural gas stream at a temperature T1 lower than T0 and thus the cooling of said first and second flow of first coolant in the liquid state.
  • Micronization (still known as
  • the micronization of a controlled amount constituting a small portion of said first liquid phase of first refrigerant fluid allows it to be fully brought to the gaseous state and to cool said first gaseous phase of first refrigerant, which remains entirely at the gaseous state.
  • Pre-cooling of said gaseous phase of first refrigerant by mixing with a portion of the micronized liquid phase within the desuperheater is advantageous in that it allows condensation of a larger portion of the gaseous phase in said second condenser. or even an integral condensation.
  • said first gas phase of said first refrigerant fluid at the outlet of said first separator tank is more easily condensed in said second condenser after mixing with at least a portion of said first liquid phase of the first refrigerant fluid after micronization and vaporization, because said resulting gas phase is then condensable at a higher temperature and a lower pressure than those required in the prior art, and therefore by implementing a lower power at said second compressor.
  • said gaseous phase of the first coolant cooled at the outlet of said desuperheater is partially condensed in said second condenser, then a second phase separation is carried out in a second separator tank separating a second liquid phase from a first refrigerant fluid and a second gaseous phase from a first refrigerant fluid, said second liquid phase of a first refrigerant fluid at the bottom outlet from said second separator tank being mixed with the remainder of said first liquid first fluid phase refrigerant and conveyed to said first inlet of the hot end of said first exchanger to form said first flow of first refrigerant fluid in the liquid state substantially at the temperature T0 and substantially at the pressure P1, and, said second gaseous phase at the upper outlet of the second separator tank being conveyed at said substantially P1 pressure and said temperature substantially T0 to a second inlet at the hot end of said first exchanger to form a second flow of first refrigerant flowing through the gaseous
  • FIG. 3 The above embodiment (Fig. 3) is preferred because it allows mixing said liquid first refrigerant phases to form said first flow under good stability conditions on the one hand and, on the other hand, it does not require the implementation of a total condenser.
  • said gas phase of first refrigerant fluid cooled in said desuperheater is totally condensed in said second condenser, then is conveyed in the liquid state at substantially said pressure.
  • said natural gas leaving the cold end of said first exchanger at a temperature substantially equal to T1 is cooled and at least partially liquefied in at least a second cryogenic exchanger, in which said natural gas to be liquefied by circulation is liquefied.
  • said natural gas leaving the cold end of said second exchanger at a temperature substantially equal to T2 partially liquefied is cooled and fully liquefied at a temperature T3 less than T2 in at least a third cryogenic exchanger, in wherein said natural gas circulates in indirect cocurrent contact with at least a third flow of second refrigerant fluid supplied by said second second refrigerant fluid stream in gaseous state exiting the cold end of said second heat exchanger at substantially temperature T2 and at the pressure P2, said third flow of second refrigerant flowing through the gaseous state said third exchanger co-current of said stream of liquefied natural gas and leaving substantially in the gaseous state and being expanded by a fourth regulator at the level of of the cold end of said third exchanger to find itself in the gaseous state at a pressure P2 'less than P2 and at a temperature T3 less than T2 inside said third exchanger on the cold end side, and then emerging at an orifice at its hot end in the state gaseous and substantially at
  • said expansion valves comprise valves whose opening percentage is suitable for being controlled in real time.
  • the compounds of the natural gas and the refrigerant fluids are chosen from methane, nitrogen, ethane, ethylene, propane, butane, and pentane. More particularly, the composition of the natural gas to be liquefied is included in the following ranges for a total of 100% of the following compounds:
  • butane from 0 to 20%.
  • composition of the refrigerant fluids is included in the following ranges for a total of 100% of the following compounds:
  • temperatures have the following values:
  • - T0 is are from 10 to 60 ° C
  • - Tl is -30 to -70 ° C
  • T2 is from -100 to-140 ° C
  • - T3 is -160 to -170 ° C.
  • the pressures have the values:
  • P0 is from 0.5 to 10 MPa (substantially 5 to 100 bar).
  • PI 1.5 to 10 MPa (approximately 15 to 100 bar)
  • P2 is 2.5 to 10 MPa (substantially 25 to 100 bar).
  • a method according to the invention is implemented on board a floating support.
  • the present invention also provides an on-board installation on a floating support for implementing a method according to the present invention, characterized in that it comprises:
  • At least one said first exchanger comprising at least:
  • a first expander between the cold outlet of said first duct and a first inlet at the cold end of the enclosure of said first exchanger
  • a second expander between the cold outlet of said second duct and a second inlet at the cold end of the enclosure of said first exchanger
  • a first compressor with a connection line between an outlet at the hot end of the enclosure of said first exchanger and the inlet of said first compressor
  • a first condenser with a connecting line between the output of said first compressor and the inlet of said first condenser
  • a first separator tank with a connecting line between the outlet of said first condenser and said first separator tank, and
  • a second compressor with a connecting line between an upper outlet of said first separator tank and the inlet of said second compressor
  • connection line between the output of said pump and the inlet of said first refrigerant first conduit
  • an installation according to the present invention further comprises:
  • a second separator tank with a connecting line between the outlet of said second condenser and said second separator tank, and
  • connection line between the upper outlet of said second separator tank and the inlet of said second refrigerant first conduit
  • an installation according to the present invention further comprises:
  • a second cryogenic exchanger comprising:
  • a third exchanger comprising:
  • a third separator tank A third separator tank, and
  • connection line between a lower outlet of said third separator tank and an outlet orifice at the hot end of said second exchanger
  • connection line between an upper outlet of said third separator tank and the hot end of said second conduit of said second exchanger
  • a third expander between the cold outlet of said first conduit of said second exchanger and a first inlet to the cold end of the enclosure of said second exchanger
  • a third compressor with a connecting pipe between an outlet at the hot end of the enclosure of said second heat exchanger and the inlet of said second compressor, and
  • a gas heat exchanger with a connecting pipe between the outlet of said second compressor and the inlet of said gas cooler, and
  • a fourth expander between the cold outlet of said first duct of said third exchanger and an inlet at the cold end of the enclosure of said third exchanger
  • FIG. 1A represents the diagram of a standard double-loop phase-change liquefaction process using coiled cryogenic exchangers
  • FIG. 1B is a variant of FIG. 1A in which the second and third cryogenic exchangers C2 and C3 are in continuity and of the type called "brazed aluminum" (in English “cold box”),
  • FIG. 2 is a diagram of a liquefaction process according to the invention comprising, at the level of the primary refrigeration loop, a circuit for recycling a portion of the refrigerant fluid in the liquid state to the portion of the cooling fluid. in the gaseous state, at a desuperheater (in English "desuperheater”), located upstream of a coolant condenser, FIG. 2A details in a broken side view the desuperheater of FIG. 2,
  • FIG. 3 represents the diagram of a liquefaction process according to a preferred version of the invention, comprising, at the level of the primary refrigeration loop, a liquid and gaseous phase separator tank downstream of the condenser of FIG. downstream of a desuperheater,
  • FIG. 1A shows the PFD (Process Flow Diagram), ie the flow diagram of a standard double-loop phase change liquefaction process called "DMR" (in English Dual Mixed Refrigerant).
  • DMR Dual Mixed Refrigerant
  • the natural gas is cooled by giving up calories to the coolants, which heat up vaporizing as described below and must permanently undergo complete thermodynamic cycles with phase change in order to continuously extract calories to natural gas entering AA. So the natural gas route is shown on the left of the coolants, which heat up vaporizing as described below and must permanently undergo complete thermodynamic cycles with phase change in order to continuously extract calories to natural gas entering AA. So the natural gas route is shown on the left of the coolants, which heat up vaporizing as described below and must permanently undergo complete thermodynamic cycles with phase change in order to continuously extract calories to natural gas entering AA. So the natural gas route is shown on the left of the
  • the gaseous phases are represented in dotted lines; the two-phase phases are represented in normal lines.
  • thermodynamic cycles of the refrigerant fluids of the two loops as described below.
  • cryogenic exchangers EC1, EC2 and EC3 consist, in known manner, of at least two fluid circuits juxtaposed but not communicating with each other at said fluids, the fluids circulating in said circuits exchanging heat along the route within said heat exchanger.
  • Many types of heat exchangers have been developed for the various industries and in the context of cryogenic exchangers two types prevail in a known manner: - on the one hand coiled exchangers, on the other hand the so-called "brazed" aluminum plate heat exchangers called "cold box".
  • exchangers EC1, EC2 and EC3 of coiled type refers to exchangers EC1, EC2 and EC3 of coiled type.
  • Coiled exchangers of this type are known to those skilled in the art and marketed by the companies LINDE (Germany) or FIVE Cryogenie (France).
  • These exchangers comprise a sealed and insulated enclosure 6, and the natural gas as well as the cooling fluids circulate in lines in the form of coils Sg, S1 and S2, said coils being disposed in said sealed and insulated enclosure vis-à-vis the outside so that the heat exchange is between the internal volume of the chamber and the different coils, with a minimum of thermal losses to the outside, that is to say the ambient environment.
  • gases and liquids may be respectively expanded or vaporized directly in the enclosure and not in a conduit within the enclosure as described below.
  • FIG. 1B shows a variant of FIG. 1A in which the cryogenic exchangers are of the plate heat exchanger type: all the circuits are in thermal contact with one another to exchange calories, but the sealed and insulated enclosure 6 is simply to thermally isolate the various conduits it contains, no fluid can be introduced directly, all fluids that circulate there can not mix.
  • Exchangers of this type with so-called "cold box” plates are known to those skilled in the art and marketed by CHART (USA).
  • the method comprises a first loop called Primary Loop or in English "PMR" (Primary Mixed Refrigerant) constituted as follows.
  • a flow d1 of a first flow of first refrigerant fluid enters AA1 at the hot end AA of the first cryogenic exchanger EC1 at a temperature substantially equal to T0 and a pressure P1, for example P1 being from 1.5 to 10 MPa.
  • Said first refrigerant fluid passes through the first heat exchanger EC1 in a liquid state in a first serpentine pipe SI.
  • a first expansion valve D1 consisting of a controlled valve, said valve being in communication with BB1 inside the chamber 6 of the first exchanger EC1 on the cold end side of the exchanger EC1. Due to its expansion at a pressure P'1 below P1, in particular P'1 being equal to 2 to 5 MPa, the liquid of the first refrigerant vaporizes by absorbing the calories of the circuit Sg of natural gas and the calories of the other circuits of the first loop within the first exchanger described hereinafter as well as, where appropriate, the calories of the ducts forming part of the second loop described hereinafter, or even other loops in the case of multi-loop circuits called "MMR".
  • MMR multi-loop circuits
  • the first refrigerant fluid in the gaseous state BB1 crosses against the current chamber and leaves the enclosure of the first heat exchanger EC1 AA3 of the hot side AA always in the gaseous state and substantially at a temperature T0. Said first flow of refrigerant fluid in the gaseous state will then be reliqued and conveyed to the hot inlet AA1 of said first exchanger EC1 to constitute the supply of a said first flow of first refrigerant fluid in the liquid state to the inside the duct SI, thus circulating in a closed circuit.
  • first refrigerant fluid leaving the gaseous state of the cold end of the enclosure of the first heat exchanger EC1 AA3 is first compressed from P'1 to P "1, P" 1 being between P'1 and P1, in a first compressor C1, and then partially condensed in a first condenser HO.
  • the biphasic mixture of first coolant leaving the first condenser HO undergoes a phase separation in a first separator tank RI.
  • a first liquid phase of the first refrigerant fluid is extracted in the lower part of the first separator tank RI and re-conveyed at a flow rate dla and a pressure P1 substantially by a pump PP to the inlet of a second condenser H1.
  • a gaseous phase of first refrigerant fluid is extracted from the upper side of the separator tank RI and compressed to substantially the pressure PI and a flow dlb by a second compressor CIA, the outlet temperature of said compressor being of the order of 80-90 ° vs.
  • this gaseous phase dlb it is mixed with the liquid phase dla before introducing the biphasic mixture dl obtained in the second condenser Hl.
  • the condensation of the gaseous phase at the outlet of the second condenser H1 is not complete and the fluid leaving it can still be two-phase.
  • the gases contained in it cause the pressure rise of the refrigerant.
  • a calibrated safety valve is generally inserted at a pressure slightly below the limit pressure tolerable by the pipes, said valve (not shown) being connected to a flare 5, in which the combustion gases are removed by combustion because the quantities are small compared to the coolant mass of the loop.
  • the composition of the cooling mixture is generally determined in C1, C2, C3 and C4 alkane compounds described below to reach a minimum temperature T1 of the order of -50 ° C. But, as some of the lighter compounds are removed, the composition of the mixture changes and the minimum temperature T1 then becomes -40 or -45 ° C, or -35 ° C. This results in a decrease in the efficiency of the primary loop and therefore a decrease in the overall efficiency of the liquefaction process.
  • an additional accumulator tank R'1 is introduced downstream of the condenser H1 whose function is to receive a liquid phase, and if necessary a multiphase phase so that the gas contained in the multiphase phase gathers in the upper part of said accumulator tank and is trapped therein, the liquid phase contained in R'1 being taken from the bottom of said accumulator tank and conveyed to EC1. If the amount of gas in R'1 increases, the pressure within R'1 increases and said gas condenses and mixes with the liquid phase before being discharged to the cryogenic exchanger EC1.
  • FIGS. 1 to 3 comprise a second loop of second refrigerant fluid cooperating with the three cryogenic exchangers EC1, EC2 and EC3 as described below.
  • the natural gas at temperature T1 is partially liquefied and then passes into the second cryogenic exchanger EC2, from which it leaves at the temperature T2 partially liquefied before being cooled to a fully liquefied state.
  • a second refrigerant mixture circulates in a second closed circuit loop with phase change as follows.
  • the second refrigerant fluid arrives at the hot end CC of EC2 in CCI in the liquid state at the temperature T1 and at the pressure P2, P2 being for example 2.5 to 10 MPa.
  • the second coolant in the liquid state passes through the second exchanger EC2 in a coil-shaped conduit S2 co-current of the natural gas fluid in Sg.
  • This first flow of second refrigerant fluid in the liquid state of flow d2a is then expanded in a D2 expander at the cold end DD of the second exchanger EC2 in DD1 at a pressure P'2 less than P2 and at a temperature T2 lower than T1 within the chamber of the second exchanger EC2. Then, this first flow of second refrigerant fluid leaves the second chamber at a CC3 orifice at the hot end of the second exchanger EC2, in the gaseous state and substantially at a pressure P'2 and a temperature Tl.
  • second refrigerant fluid in the gaseous state is then compressed from P'2 to P2 in a compressor C2 from which it comes out at a temperature of about 80-100 ° C, before being cooled in a temperature-cooling exchanger H2 including it always comes out in the gaseous state at a temperature substantially equal to T0 (20-30 ° C).
  • the liquid phase is sent at a flow rate d2a at CC3 to the hot side CC of the second exchanger EC2 to constitute the supply of said first flow of second coolant in the liquid state within the coil S2 to perform a new cycle as described herein. -above.
  • the flow rate d2b of the vapor phase leaving the second separator tank R2 is also directed towards the hot side CC of the second exchanger EC2 at substantially T1 and substantially P2 for supplying CC2 with another serpentine duct S2A within the second exchanger EC2.
  • cryogenic exchangers are plate heat exchangers as described above and the gases of the fluids vaporized by the regulators D1, D2 and D3 are channeled in serpentine conduits SIC, S2B and S2C within the respectively first heat exchanger EC1, second heat exchanger EC2, third heat exchanger EC3 to emerge at the hot ends of the first exchanger EC1 at AA3 and second heat exchanger EC2 respectively at CC3.
  • the second and third exchangers EC2 and EC3 as well as said lines S2A and S3 are in continuity from the hot end CC of the second exchanger EC2 to the cold end FF of the third exchanger EC3.
  • the return of the gaseous phase from the expander D3 to FF1 at the cold end of the third exchanger to the outlet CC3 at the hot end of the second exchanger EC2 is in a serpentine duct S2C.
  • the return of the gaseous phase from the expander D2 to DD1 at the cold end of the second exchanger in DD1 to CC3 at the hot end of the second exchanger takes place in a serpentine pipe S2B.
  • FIGS. 1A and 1B show two variants of the method according to the invention.
  • the modifications with respect to the method of the prior art of FIGS. 1A and 1B are at the level of the first loop of the first refrigerant.
  • a flow part dlc representing a mass flow ratio of 2-5% with respect to the initial flow dla is sent to a desuperheater DS, the gas phase dlb at the outlet of the second compressor CIA also joining the inlet of the desuperheater DS whose operation will be explained below.
  • the fraction of flow liquid dlc sent to the desuperheater DS is adjusted thanks to the combined action of the controlled valve VI and the first expander D1 described below.
  • This fraction dlc represents 2-10%, preferably 3-5%, of the flow rate dla of the pump PP.
  • FIG. 2A there is shown in side view and torn off the desuperheater DS, whose function is to cool the gaseous phase dlb before it enters the condenser H1.
  • the desuperheater DS is formed in a known manner of a gas inlet pipe 1 connected to an inner ramp 3 in the form of a perforated tube having a plurality of orifices 4 of small section distributed along and around the periphery of said ramp.
  • a liquid supply pipe 2 from the pump PP whose flow dlc is controlled by the valve VI serves to supply the ramp 3 in liquid so as to create a mist of fine liquid droplets out of the orifices 4 of the fact the liquid spraying pressure through said ramp 3.
  • the fine liquid droplets then have a large specific surface exchange with the gas phase arriving via the feed pipe 1. And, the latent heat of evaporation of the liquid phase has the effect of cooling the incoming gas phase.
  • Said gaseous phase has indeed a temperature at the inlet of the desuperheater DS of about 80-90 ° C, and its outlet temperature of the desuperheater is only 55-65 ° C because of the calories absorbed by the vaporization of the liquid fluid dlc.
  • the quantity of liquid dlc injected into the desuperheater DS is adjusted precisely so that the entire flow leaving the desuperheater DS is in the gaseous state and therefore has a homogeneous gas composition.
  • a desuperheater DS of this type is marketed by the company FISHER-EMERSON (France).
  • FISHER-EMERSON France
  • the first refrigerating fluid leaving the desuperheater DS is thus completely in the gaseous state at a temperature of approximately +55-65 ° before being completely condensed in a second condenser H1 which is here a total condenser. .
  • the first refrigerant fluid is completely in the liquid state and represents a flow dl 'routed to the temperature TO and the pressure substantially PI to the hot inlet AA2 of the first exchanger EC1 that it passes through the in a serpentine conduit S1A co-current of fluids passing through the serpentine pipes Sg and SI and S1B before being directed to a second regulator D1A also consisting of a slave valve, the second regulator D1A being in communication with the inside of exchanger EC1 at its cold end BB2.
  • the second flow of first refrigerant fluid in the liquid state is vaporized by absorbing the calories of the natural gas conduit Sg as well as the calories of the flow of the conduit SI, the conduit S1A and the conduit S1B.
  • first heat exchanger EC1 but pass through the first heat exchanger EC1 in two separate ducts S1 and S1A is also advantageous because the two flows have different compositions of the first refrigerant fluid, and moreover they are at different pressures, so that their mixture would lead to instabilities more problematic than those of the prior art It would however be possible to control the mixing of said two liquid streams with the aid of appropriate control systems, for example control valves, but this would go against the simplicity and the reliability sought in this type of installation.
  • FIG. 3 shows a preferred embodiment of the invention, in which the second condenser H1 is not a total condenser, only part of the gas stream leaving the desuperheater DS is condensed in the second condenser H1.
  • the biphasic fluid leaving at a die flow rate of the second condenser H1 undergoes a phase separation in a second separator tank R1A in which a second liquid phase and a second gas phase of the first refrigerant fluid are separated.
  • the second coolant liquid phase at the low output of R1A is routed to the pipe SI and represents a flow dlf.
  • the flow dla at the pump outlet PP is separated into two flow rates, respectively dlc to the desuperheater DS, flow adjusted by the first control valve VI, the dld residue being adjusted by a second control valve VIA, the two said valves being controlled in close combination with each other; said residue dld being then mixed with the liquid flow dlf, then conveyed to the conduit SI at the hot end of the cryogenic exchanger ECl, substantially at the pressure Pl.
  • the second gaseous phase of the first high-output refrigerant of the second separator tank R1A represents a flow rate dl ".It is conveyed at the temperature TO and at the pressure P1 substantially to the inlet AA2 of the hot end.
  • the second expansion valve DIA relaxes at a pressure P'1 less than P1 at BB2, the gas of the second gaseous phase of the first refrigerant, this expansion of the gas in BB2 of SIA by DIA then absorbs the calories of Sg, S1, S1 and S1b by promoting their cooling, and, where appropriate, absorbs the calories of other loops in the case of multi-loop circuits, referred to as MMRs as mentioned above .
  • the gaseous fluid exiting at BB2 from the second expander DIA mixes the first portion of the first refrigerant vaporized BB1 to exit AA3 at a rate dl and be compressed from P'1 to P "1, P" 1 being between P'1 and P1 by the first compressor Cl.
  • the expander D1 is a liquid-to-gas expander
  • the expander DIA is a gas-to-gas expander
  • FIG. 3 is preferred because the control valve VIA associated with the control valve VI and with the expander D1 allows the mixing of the two liquid phases and their vaporization in good stability conditions on the one hand, and on the other hand, it does not require the implementation of a total condenser, which increases the overall stability of the process and therefore its industrial reliability.
  • the liquid flow d1 represents approximately 95% of the mass flow of first refrigerant gas, the gaseous flow dl "representing the complement, that is to say about 5%.
  • Condensers HO and H1 and cooler H2 may consist of water exchangers, for example a seawater or river heat exchanger, or cold air type air cooler known to those skilled in the art.
  • compositions of the first and second refrigerant fluids are related to the technologies selected in terms of cryogenic exchangers and condensers and each manufacturer or supplier recommends his own compositions.
  • these compositions are also closely related to the composition of the natural gas to be liquefied, and the components of the refrigerant fluids are advantageously adjusted over time as soon as the characteristics of the natural gas change significantly.
  • the first refrigerant fluid operating in a loop in the exchanger EC1 therefore the ordinary temperature T0 (20-30 ° C), to a minimum temperature Tl of -50 ° C approximately, consists of following mixture:
  • the "hot" loop is identical, but the "cold” loop is replaced by two independent loops each comprising a clean refrigerant fluid, generally a second loop operating at the exchanger EC2, that is to say between -50 ° C and -120 ° C, the third loop operating at the exchanger EC3, that is to say between -120 ° C and -165 ° C.
  • the so-called "hot" loop corresponding to the exchanger EC1 remains substantially the same as that described with reference to FIG. 1A.
  • the invention applies to virtually all methods of liquefaction of natural gas with multiple independent loops and phase change.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de liquéfaction d'un gaz naturel dans au moins 1 échangeur de chaleur cryogénique (EC1) par circulation en contact indirect avec au moins un flux (SI) de fluide réfrigérant entrant à sensiblement la température TO dans une première entrée (AA1) dans ledit échangeur (EC1) et à une pression PI, le traversant à co-courant dudit flux de gaz naturel (Sg), en sortant (BB) à l'état liquide, puis étant détendu par un détendeur (Dl) au niveau de l'extrémité froide (BB) dudit échangeur (EC1) pour se retrouver à l'état gazeux à une pression P1 inférieure à PI et à une température T1 inférieure à TO, avant de ressortir à un orifice de sortie (AA3) de l'extrémité chaude (AA) dudit échangeur (EC1) à l'état gazeux et sensiblement à une température T0. Ledit fluide réfrigérant à l'état gazeux est ensuite au moins partiellement reliquéfié et acheminé vers l'entrée (AA1) dudit échangeur par une compression dans un premier compresseur (C1) puis une condensation partielle dans un premier condenseur (HO) et une séparation de phase, une première phase liquide (d1a) étant acheminée au moins en partie vers ladite première entrée (AA1), une première phase gazeuse (d1b) étant comprimée par un deuxième compresseur (CIA) puis refroidie dans un désurchauffeur (DS) par contact avec une partie (dlc) de ladite première phase liquide (d1a) en sortie dudit premier séparateur, avant condensation dans un deuxième condenseur (H1).

Description

Procédé de liquéfaction de gaz naturel
avec changement de phase
La présente invention est relative à un procédé de liquéfaction de gaz naturel pour produire du GNL, ou Gaz Naturel Liquéfié, appelé aussi LNG en anglais. Plus particulièrement encore, la présente invention est relative à la liquéfaction de gaz naturel comportant majoritairement du méthane, de préférence au moins 85% de méthane, les autres principaux constituants étant choisis parmi l'azote et des alcanes en C-2 à C-4 à savoir de l'éthane, du propane, du butane. La présente invention concerne aussi une installation de liquéfaction disposée sur un navire ou un support flottant en mer, soit en mer ouverte, soit en zone protégée, telle un port, ou encore une installation à terre dans le cas de moyennes ou de grandes unités de liquéfaction de gaz naturel. Le gaz naturel à base de méthane est soit un sous-produit des champs pétroliers, produit en quantité faible ou moyenne, en général associé à du pétrole brut, soit un produit majeur dans le cas des champs de gaz, où il est alors en combinaison avec d'autres gaz, principalement des alcanes en C-2 à C-4, du C02, de l'azote. Lorsque le gaz naturel est associé en faible quantité à du pétrole brut, il est en général traité et séparé, puis utilisé sur place comme carburant dans des turbines ou des moteurs à piston pour produire de l'énergie électrique et des calories utilisées dans les processus de séparation ou de production. Lorsque les quantités de gaz naturel sont importantes, voire considérables, on cherche à le transporter de manière à pouvoir les utiliser dans des régions éloignées, en général sur d'autres continents et, pour ce faire, la méthode préférée est de le transporter à l'état de liquide cryogénique (-165°C) sensiblement à la pression atmosphérique ambiante. Des navires de transport spécialisés appelés « méthaniers » possèdent des cuves de très grandes dimensions et présentant une isolation extrême de manière à limiter l'évaporation pendant le voyage. La liquéfaction du gaz en vue de son transport s'effectue en général à proximité du site de production, en général à terre, et nécessite des installations considérables pour atteindre des capacités de plusieurs millions de tonnes par an, les plus grosses unités existantes regroupent trois ou quatre unités de liquéfaction de 3-4 Mt par an de capacité unitaire.
Ce procédé de liquéfaction nécessite des quantités d'énergie mécanique considérables, l'énergie mécanique étant en général produite sur place en prélevant une partie du gaz pour produire l'énergie nécessaire au procédé de liquéfaction. Une partie du gaz est alors utilisé comme carburant dans des turbines à gaz, des chaudières à vapeur ou des moteurs thermiques à pistons.
De multiples cycles thermodynamiques ont été développés en vue d'optimiser le rendement énergétique global. Il existe deux types principaux de cycles. Un premier type basé sur la compression et la détente de fluide réfrigérant, avec changement de phase, et un second type basé sur la compression et la détente de gaz réfrigérant sans changement de phase. On appelle « fluide réfrigérant », ou « gaz réfrigérant », un gaz ou mélange de gaz, circulant en circuit fermé et subissant des phases de compression, le cas échéant de liquéfaction, puis des échanges de chaleur avec le milieu extérieur, puis ensuite des phases de détente, le cas échéant d'évaporation, et enfin des échanges de chaleur avec le gaz naturel à liquéfier comprenant du méthane, qui peu à peu se refroidit pour atteindre sa température de liquéfaction à pression atmosphérique, c'est à dire environ -165°C dans le cas du GNL.
Ledit premier type de cycle, avec changement de phase, est en général utilisé sur des installations de grande capacité de production nécessitant une plus grande quantité d'équipements. De plus, les fluides réfrigérants, en général sous forme de mélanges, sont constitués de butane, de propane, d'éthane et de méthane, ces gaz étant dangereux car ils risquent, en cas de fuite, de provoquer des explosions ou des incendies considérables. Par contre, malgré la complexité des équipements requis, ils demeurent les plus efficaces et nécessitent une énergie de l'ordre de 0.3kWh par kg de GNL produit. De nombreuses variantes de ce premier type de procédé avec changement de phase du fluide réfrigérant ont été développées et chaque fournisseur de technologie ou d'équipements, possède sa formulation de mélanges, associée à des équipements spécifiques, tant pour les procédés dits « en cascade » dans lesquels les différents fluides réfrigérants mis en œuvre sont mono-composants et circulent dans des boucles de circuits fermés différents, que pour les procédés dits en « cycle mixte » avec des boucles de fluides réfrigérants multi- composants. La complexité des installations provient du fait que dans les phases où le fluide réfrigérant se trouve à l'état liquide, et plus particulièrement au niveau des séparateurs et des conduites de raccordement, il convient d'installer des collecteurs gravitaires encore appelés ci-après « réservoirs séparateurs » pour rassembler la phase liquide et la diriger au cœur des échangeurs thermiques où elle se vaporisera alors au contact du méthane à refroidir et à liquéfier, pour obtenir du GNL.
Le second type de procédé de liquéfaction, procédé sans changement de phase du gaz réfrigérant, est un cycle de Brayton inversé, ou cycle de Claude utilisant un gaz tel l'azote. Ce second type de procédé présente un avantage en termes de sécurité, car le gaz réfrigérant du cycle, en général l'azote, est inerte, donc incombustible, ce qui est très intéressant lorsque les installations sont concentrées sur un espace réduit, par exemple sur le pont d'un support flottant installé en mer ouverte, lesdits équipements étant souvent installés sur plusieurs niveaux, les uns au-dessus des autres sur une surface réduite au strict minimum. Ainsi, en cas de fuite du gaz réfrigérant, il n'y a aucun danger d'explosion et il suffit alors de réinjecter dans le circuit la fraction de gaz réfrigérant perdue. En revanche, l'efficacité de ce second type est moindre, car il nécessite en général une énergie de l'ordre de 0.5 kWh/kg de GNL produit, soit environ 20.84 kW x jour/t.
Malgré le rendement énergétique inférieur du procédé de liquéfaction sans changement de phase du gaz réfrigérant, ce dernier est préféré au procédé avec changement de phase car le procédé à changement de phase est plus sensible aux variations de composition du gaz à liquéfier, à savoir un gaz naturel constitué d'un mélange où prédomine du méthane. En effet, dans le cas du cycle à changement de phase du fluide réfrigérant, pour que les rendements restent optimal, le fluide réfrigérant doit être adapté à la nature et composition du gaz à liquéfier et la composition du fluide réfrigérant doit le cas échéant être modifiée au cours du temps, en fonction de la composition du mélange de gaz naturel à liquéfier produit par le champ pétrolier. Pour ces procédés à changement de phase, on utilise des fluides réfrigérants constitués d'un mélange de composés. Plus particulièrement, le but de la présente invention est de fournir un procédé amélioré de liquéfaction de gaz naturel avec changement de phase.
Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé de liquéfaction d'un gaz naturel comprenant majoritairement du méthane, dans lequel on liquéfie ledit gaz naturel à liquéfier par circulation d'un flux dudit gaz naturel dans au moins 1 échangeur de chaleur cryogénique par circulation en contact indirect avec au moins un premier flux de premier fluide réfrigérant comprenant un premier mélange de composés circulant dans au moins une première boucle en circuit fermé avec changement de phase, ledit premier flux de premier fluide réfrigérant entrant à une température sensiblement égale à la température TO d'entrée du gaz naturel dans ledit premier échangeur et à une pression PI, le traversant à co-courant dudit flux de gaz naturel et en sortant à l'état liquide, ledit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état liquide étant détendu dans un premier détendeur au niveau de l'extrémité froide dudit premier échangeur à l'état gazeux à une pression P'1 inférieure à PI et à une température Tl inférieure à TO, puis en sortant à son extrémité chaude à l'état gazeux et sensiblement à une température TO, ledit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état gazeux étant ensuite au moins partiellement reliquéfié et acheminé vers l'entrée chaude dudit premier échangeur pour constituer l'alimentation en dit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état liquide circulant ainsi en circuit fermé, la liquéfaction dudit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état gazeux comprenant au moins une compression dans un compresseur, puis au moins une condensation dans un condenseur avant d'être acheminée à sensiblement la pression PI, vers l'entrée de l'extrémité chaude dudit premier échangeur dudit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état liquide. Un problème du procédé à changement de phase définit ci-dessus tient en ce que la composition du mélange réfrigérant se modifie en cours de cycle du fait qu'une partie des composés les plus légers du fluide réfrigérant tend à disparaître et/ou doit être rejetée comme il sera explicité dans la description détaillée en référence aux figure 1A et 1B ci-après.
Plus précisément, dans ces procédés on a observé que la condensation de la phase gazeuse en aval du deuxième condenseur n'est pas totale. Et, le fluide sortant du deuxième condenseur, destiné à être recyclé à l'extrémité chaude du premier échangeur, peut se trouver à l'état diphasique avec une faible teneur de phase gazeuse contenant les gaz constitués des composés les plus légers du mélange réfrigérant, la phase liquide étant donc plus concentrée en composés les plus lourds. Cette faible teneur en gaz ne peut pas être séparée ni recyclée simplement et doit donc être éliminée. Ceci a pour conséquence de modifier la composition du fluide réfrigérant liquide recyclé et conduit alors à une augmentation de la température minimale Tl atteinte lors de la vaporisation du liquide réfrigérant au sein de l'enceinte de l'échangeur EC1. Or, ladite vaporisation constitue l'échange thermo-dynamique principal intervenant au cours du cycle. Afin de surmonter cet effet indésirable et de conserver ladite température minimale Tl, le niveau de pression doit être augmenté, ce qui entraine une consommation accrue d'énergie, et par conséquent une baisse du rendement global de l'installation, c'est-à-dire une augmentation en termes de kWh consommés par kg de gaz liquéfié produit. Dans US 4339253, on décrit un procédé à changement de phase dans lequel le fluide réfrigérant recyclé vers l'extrémité chaude d'un échangeur est recyclé à l'état diphasique. Dans EP 1 132 698, on cherche à reliquéfier du gaz évaporé d'un réservoir de gaz liquide 4. Pour ce faire, on propose de mélanger ledit gaz évaporé avec une partie de gaz liquide au sein de désurchauffeurs 32-38 et 44-46 pour obtenir une remise en solution du gaz. Dans EP 1 132 698, il n'y a pas de condenseur en sortie des désurchauffeurs.
Le but de la présente invention est donc de fournir un procédé de liquéfaction de gaz naturel avec changement de phase tel que défini ci- dessus amélioré, permettant notamment de résoudre le problème ci- dessus.
Pour ce faire, la présente invention fournit un procédé de liquéfaction d'un gaz naturel comprenant majoritairement du méthane, de préférence, au moins 85% de méthane, les autres composants comprenant essentiellement de l'azote et des alcanes en C-2 à C-4, dans lequel on liquéfie ledit gaz naturel à liquéfier par circulation d'un flux dudit gaz naturel à une pression PO supérieure ou égale à la pression atmosphérique, de préférence PO étant supérieure à la pression atmosphérique, dans au moins 1 échangeur de chaleur cryogénique par circulation en contact indirect avec au moins un premier flux de premier fluide réfrigérant comprenant un premier mélange de composés circulant dans au moins une première boucle en circuit fermé avec changement de phase, ledit premier flux de premier fluide réfrigérant entrant dans ledit premier échangeur à une première entrée d'une extrémité dénommée « extrémité chaude » à une température sensiblement égale à la température TO d'entrée du gaz naturel dans ledit premier échangeur et à une pression PI, le traversant à co-courant dudit flux de gaz naturel et en sortant à une extrémité dénommée « extrémité froide » à l'état liquide, ledit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état liquide étant détendu par un premier détendeur au niveau de l'extrémité froide dudit premier échangeur pour se retrouver à l'état gazeux à une pression P'1 inférieure à PI et à une température Tl inférieure à T0 à l'intérieur dudit premier échangeur du côté de son extrémité froide, puis ressortant du premier échangeur à un orifice de sortie de son extrémité chaude à l'état gazeux et sensiblement à une température T0, ledit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état gazeux étant ensuite au moins partiellement reliquéfié et acheminé vers la première entrée de l'extrémité chaude dudit premier échangeur pour constituer l'alimentation en dit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état liquide circulant ainsi en circuit fermé, la liquéfaction dudit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état gazeux comprenant une première compression dans un premier compresseur puis une première condensation partielle dans un premier condenseur et une séparation de phase dans un premier réservoir séparateur séparant une première phase liquide de premier fluide réfrigérant et une première phase gazeuse de premier fluide réfrigérant, ladite première phase liquide de premier fluide réfrigérant en sortie basse dudit premier séparateur étant acheminée par une pompe à sensiblement la pression PI, au moins en partie vers ladite première entrée de l'extrémité chaude dudit premier échangeur pour constituer ledit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état liquide, ladite première phase gazeuse dudit premier fluide réfrigérant en sortie haute dudit premier séparateur étant comprimée à sensiblement la pression PI par un deuxième compresseur puis condensée au moins partiellement dans un deuxième condenseur, de préférence après mélange avec au moins une partie de ladite première phase liquide de premier fluide réfrigérant.
Selon la présente invention, ladite première phase gazeuse de dit premier fluide réfrigérant en sortie dudit deuxième compresseur est refroidie dans un désurchauffeur par contact avec une partie de ladite première phase liquide de premier fluide réfrigérant en sortie dudit premier séparateur, ladite partie de première phase liquide de premier fluide réfrigérant étant micronisée et vaporisée, de préférence entièrement vaporisée, au sein dudit désurchauffeur, avant ladite condensation dans ledit deuxième condenseur. De préférence, ladite partie de première phase liquide de premier fluide réfrigérant représente moins de 10% en débit massique, de préférence encore de 2 à 5% du débit de ladite première phase liquide totale de premier fluide réfrigérant, de manière à ce qu'elle soit entièrement vaporisée au sein dudit désurchauffeur et que le premier fluide réfrigérant en sortie dudit désurchauffeur soit entièrement en phase gazeuse avant sa condensation au moins partielle dans ledit deuxième condenseur, le débit de ladite partie de première phase liquide de premier fluide réfrigérant étant ajusté à l'aide d'au moins une vanne de contrôle.
La vaporisation des premier et deuxième flux de premier fluide réfrigérant par lesdits premier et deuxième détendeurs constitue l'essentiel de l'échange thermique au sein dudit premier échangeur cryogénique en refroidissant les dit premier et deuxième flux de premier fluide réfrigérant à l'état gazeux au sein dudit premier échangeur et provocant une absorption des calories et le refroidissement dudit flux de gaz naturel à température Tl inférieure à T0 et donc le refroidissement des dits premier et deuxième flux de premier fluide réfrigérant à l'état liquide. La micronisation (encore connue sous la dénomination de
«brumisation») de ladite première phase liquide de premier flux réfrigérant augmente la surface de contact entre les particules de liquide et le gaz dans lequel ladite phase liquide est vaporisée, ce qui favorise son évaporation et favorise l'absorption des calories et le refroidissement de ladite première phase gazeuse de premier flux réfrigérant. La micronisation d'une quantité contrôlée constituant une faible partie de ladite première phase liquide de premier fluide réfrigérant permet que celle-ci soit entièrement portée à l'état gazeux et refroidisse ladite première phase gazeuse de premier fluide réfrigérant, celle-ci restant entièrement à l'état gazeux. Le pré-refroidissement de ladite phase gazeuse de premier fluide réfrigérant par mélange avec une partie de la phase liquide micronisée au sein du désurchauffeur est avantageuse en ce qu'il permet une condensation d'une plus grande part de la phase gazeuse dans ledit deuxième condenseur, voire une condensation intégrale.
En outre, ladite première phase gazeuse de dit premier fluide réfrigérant en sortie dudit premier réservoir séparateur est plus facilement condensée dans ledit deuxième condenseur après mélange avec au moins une partie de ladite première phase liquide de premier fluide réfrigérant après micronisation et vaporisation, car ladite phase gazeuse résultante est alors condensable à une température supérieure et une pression inférieure à celles requises dans l'art antérieur, et donc en mettant en œuvre une puissance moindre au niveau dudit deuxième compresseur.
Dans une première variante de réalisation, plus complètement décrite ci-après en référence à la figure 3, ladite phase gazeuse de premier fluide réfrigérant refroidie en sortie dudit désurchauffeur est partiellement condensée dans ledit deuxième condenseur, puis une deuxième séparation de phase est réalisée dans une deuxième réservoir séparateur séparant une deuxième phase liquide de premier fluide réfrigérant et une deuxième phase gazeuse de premier fluide réfrigérant, ladite deuxième phase liquide de premier fluide réfrigérant en sortie basse dudit deuxième réservoir séparateur étant mélangée avec le reliquat de ladite première phase liquide de premier fluide réfrigérant et acheminée vers ladite première entrée de l'extrémité chaude dudit premier échangeur pour former ledit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état liquide sensiblement à la température T0 et sensiblement à la pression PI, et, ladite deuxième phase gazeuse en sortie haute du deuxième réservoir séparateur étant acheminée à ladite pression sensiblement PI et dite température sensiblement T0 vers une deuxième entrée à l'extrémité chaude dudit premier échangeur pour former un deuxième flux de premier fluide réfrigérant traversant à l'état gazeux ledit premier échangeur à co-courant dudit flux de gaz naturel et en sortant à l'état gazeux et étant détendu par un deuxième détendeur au niveau de l'extrémité froide dudit premier échangeur pour se retrouver à l'état gazeux à une pression P'1 inférieure à PI et à une température Tl inférieure à T0 à l'intérieur dudit premier échangeur du côté de son extrémité froide, puis en ressortant audit orifice de sortie à son extrémité chaude à l'état gazeux et sensiblement à une température T0 pour être ensuite acheminée vers ledit premier compresseur avec ledit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état gazeux en sortie de l'extrémité chaude dudit premier échangeur.
Le mode de réalisation ci-dessus (fig. 3) est préféré car il permet le mélange desdites phases liquides de premier fluide réfrigérant pour former ledit premier flux dans de bonnes conditions de stabilité d'une part et, d'autre part, il ne nécessite pas la mise en œuvre d'un condenseur total. Selon une deuxième variante de réalisation plus complètement décrite ci-après en référence à la figure 2, ladite phase gazeuse de premier fluide réfrigérant refroidie dans ledit désurchauffeur est totalement condensée dans ledit deuxième condenseur, puis est acheminée à l'état liquide sensiblement à ladite pression PI et dite température T0 vers l'extrémité chaude dudit premier échangeur pour traverser ledit premier échangeur à co-courant dudit flux de gaz naturel en mélange avec ledit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état liquide ou de préférence pour former un deuxième flux de premier fluide réfrigérant à l'état liquide traversant ledit premier échangeur à cocourant dudit flux de gaz naturel et en sortant à l'état liquide et étant détendu par un deuxième détendeur au niveau de l'extrémité froide dudit premier échangeur pour se retrouver à l'état gazeux à une pression P'1 inférieure à PI et à une température Tl inférieure à T0 à l'intérieur dudit premier échangeur du côté de son extrémité froide, puis en ressortant à son orifice de sortie de l'extrémité chaude à l'état gazeux et sensiblement à une température T0 pour être acheminée vers ledit premier compresseur avec ledit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état gazeux en sortie de l'extrémité chaude dudit premier échangeur. Plus particulièrement encore, ledit gaz naturel sortant de l'extrémité froide dudit premier échangeur à une température sensiblement égale à Tl, est refroidi et au moins partiellement liquéfié dans au moins un deuxième échangeur cryogénique, dans lequel on liquéfie ledit gaz naturel à liquéfier par circulation du flux dudit gaz naturel en contact indirect avec au moins un premier flux de deuxième fluide réfrigérant comprenant un deuxième mélange de composés circulant dans au moins une deuxième boucle en circuit fermé avec changement de phase, ledit deuxième flux de fluide réfrigérant entrant dans ledit deuxième échangeur à une première entrée de l'extrémité dénommée « extrémité chaude » dudit deuxième échangeur à une température sensiblement égale à Tl et à une pression P2, traversant ledit deuxième échangeur à co-courant dudit flux de gaz naturel et en sortant à une température à l'état liquide à une extrémité dénommée « extrémité froide » dudit deuxième échangeur, ledit premier flux de deuxième fluide réfrigérant à l'état liquide étant détendu par un troisième détendeur au niveau de l'extrémité froide dudit deuxième échangeur pour se retrouver à l'état gazeux à une pression P'2 inférieure à P2 et à une température T2 inférieure à Tl à l'intérieur dudit deuxième échangeur du côté de son extrémité froide, puis ressortant à un orifice de sortie à l'extrémité chaude dudit deuxième échangeur à l'état gazeux sensiblement à une température Tl, ledit premier flux de deuxième fluide à l'état gazeux étant ensuite partiellement reliquéfié et acheminé vers l'entrée à l'extrémité chaude dudit deuxième échangeur pour constituer l'alimentation en dit premier flux de deuxième fluide réfrigérant à l'état liquide circulant ainsi en circuit fermé, la liquéfaction dudit premier flux de deuxième fluide réfrigérant à l'état gazeux comprenant une compression à une pression P2 par un troisième compresseur puis un refroidissement à sensiblement T0 dans un échangeur de chaleur refroidisseur, puis ledit premier flux de deuxième fluide réfrigérant à l'état gazeux étant acheminé vers une entrée à l'extrémité chaude dudit premier échangeur qu'il traverse pour en ressortir à son extrémité froide à l'état partiellement liquéfié sensiblement à la température Tl, puis subit une séparation de phase dans un troisième réservoir séparateur séparant une phase liquide de deuxième fluide réfrigérant et une phase gazeuse de deuxième fluide réfrigérant, la phase liquide de deuxième fluide réfrigérant en sortie basse dudit troisième séparateur étant acheminée à sensiblement la température Tl et la pression P2, vers ladite première entrée à l'extrémité chaude dudit deuxième échangeur pour former ledit premier flux de deuxième fluide réfrigérant à l'état liquide, ladite phase gazeuse de dit deuxième fluide réfrigérant en sortie haute dudit troisième séparateur étant envoyée vers une deuxième entrée à l'extrémité chaude dudit deuxième échangeur à sensiblement la température Tl et la pression P2 pour former un deuxième flux de deuxième fluide réfrigérant traversant ledit deuxième échangeur à l'état gazeux sortant à l'extrémité froide dudit deuxième échangeur, avant de ressortir à un orifice de sortie du côté de l'extrémité chaude dudit deuxième échangeur pour être acheminé vers ledit troisième compresseur avec ledit premier flux de deuxième fluide à l'état gazeux, de préférence en mélange avec celui-ci.
Dans un mode préféré de réalisation, ledit gaz naturel sortant de l'extrémité froide dudit deuxième échangeur à une température sensiblement égale à T2 partiellement liquéfié, est refroidi et entièrement liquéfié à une température T3 inférieure à T2 dans au moins un troisième échangeur cryogénique, dans lequel ledit gaz naturel circule en contact indirect à co-courant avec au moins un troisième flux de deuxième fluide réfrigérant alimenté par ledit deuxième flux de deuxième fluide réfrigérant à l'état gazeux sortant de l'extrémité froide dudit deuxième échangeur sensiblement à la température T2 et à la pression P2, ledit troisième flux de deuxième fluide réfrigérant traversant à l'état gazeux ledit troisième échangeur à co-courant dudit flux de gaz naturel liquéfié et en sortant sensiblement à l'état gazeux et étant détendu par un quatrième détendeur au niveau de l'extrémité froide dudit troisième échangeur pour se retrouver à l'état gazeux à une pression P2' inférieure à P2 et à une température T3 inférieure à T2 à l'intérieur dudit troisième échangeur du côté de son extrémité froide, puis en ressortant à un orifice à son extrémité chaude à l'état gazeux et sensiblement à une température T2 pour être ensuite acheminée vers un orifice à l'extrémité froide dudit deuxième échangeur pour en ressortir à un orifice à l'extrémité chaude dudit deuxième échangeur pour être acheminé vers ledit troisième compresseur avec ledit premier flux de deuxième fluide à l'état gazeux, de préférence en mélange avec celui-ci.
Selon une autre caractéristique plus particulière, lesdits détendeurs comprennent des vannes dont le pourcentage d'ouverture est apte à être contrôlé en temps réel.
Plus particulièrement encore, les composés du gaz naturel et des fluides réfrigérants sont choisis parmi le méthane, azote, éthane, éthylène, propane, butane, et pentane. Plus particulièrement encore, la composition du gaz naturel à liquéfier est comprise dans les fourchettes suivantes pour un total de 100% des composés suivants :
- Méthane de 80 à 100%,
- azote de 0 à 20 %,
- éthane de 0 à 20 %,
- propane de 0 à 20 %, et
- butane de 0 à 20 %.
Plus particulièrement encore, la composition des fluides réfrigérants est comprise dans les fourchettes suivantes pour un total de 100% des composés suivants :
- Méthane de 2 à 50%,
- azote de 0 à 10 %,
- éthane et/ou éthylène de 20 à 75 %,
- propane de 5 à 20 %, et
- butane de 0 à 30 %, et
- pentane de 0 à 10%.
Plus particulièrement encore, les températures ont les valeurs suivantes :
- T0 est sont de 10 à 60°C, et
- Tl est de -30 à -70°C, et
- T2 est de -100 à - 140°C, et
- T3 est de -160 à -170°C.
Plus particulièrement encore, les pressions ont les valeurs :
- P0 est de 0.5 à 10 MPa (sensiblement 5 à 100 bar), et
- PI est de 1.5 à 10 MPa (sensiblement 15 à 100 bar), et
- P2 est de 2.5 à 10 MPa (sensiblement 25 à 100 bar).
Avantageusement, un procédé selon l'invention est mis en œuvre à bord d'un support flottant.
La présente invention fournit également une installation embarquée sur un support flottant pour mettre en œuvre un procédé selon la présente invention, caractérisé en ce qu'elle comprend :
« au moins un dit premier échangeur comprenant au moins :
- un premier conduit de circulation traversant ledit premier échangeur apte à faire circuler un premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état liquide
- un deuxième conduit de circulation traversant ledit premier échangeur apte à faire circuler un dit deuxième flux de premier fluide réfrigérant à l'état gazeux ou liquide, et
- un troisième conduit traversant ledit premier échangeur apte à faire circuler ledit gaz naturel à liquéfier, et
• un premier détendeur entre la sortie froide dudit premier conduit et une première entrée à l'extrémité froide de l'enceinte dudit premier échangeur, et
• un deuxième détendeur entre la sortie froide dudit deuxième conduit et une deuxième entrée à l'extrémité froide de l'enceinte dudit premier échangeur, et
· un premier compresseur avec une conduite de liaison entre une sortie à l'extrémité chaude de l'enceinte dudit premier échangeur et l'entrée dudit premier compresseur, et
• un premier condenseur avec une conduite de liaison entre la sortie dudit premier compresseur et l'entrée dudit premier condenseur, et
• un premier réservoir séparateur avec une conduite de liaison entre la sortie dudit premier condenseur et ledit premier réservoir séparateur, et
• un deuxième compresseur avec une conduite de liaison entre une sortie supérieure dudit premier réservoir séparateur et l'entrée dudit deuxième compresseur, et
• un désurchauffeur avec une conduite de liaison entre la sortie dudit deuxième compresseur et une entrée de gaz dans ledit désurchauffeur, et
• un deuxième condenseur avec une conduite de liaison entre la sortie dudit désurchauffeur et ledit deuxième condenseur, et · une pompe avec une conduite de liaison entre la sortie inférieure dudit premier réservoir séparateur et ladite pompe, et une conduite de liaison équipée d'une première vanne entre la sortie de ladite pompe et une entrée de liquide dans ledit surchauffeur, et
• une conduite de liaison entre la sortie de ladite pompe et l'entrée dudit premier conduit de premier fluide réfrigérant, et
• une conduite de liaison entre la sortie dudit deuxième condenseur et l'entrée dudit deuxième conduit de premier fluide réfrigérant.
Plus particulièrement, une installation selon la présente invention comprend en outre :
• un deuxième réservoir séparateur avec une conduite de liaison entre la sortie dudit deuxième condenseur et ledit deuxième réservoir séparateur, et
• une conduite de liaison entre la sortie supérieure dudit deuxième réservoir séparateur et l'entrée dudit deuxième conduit de premier fluide réfrigérant, et
• une conduite de liaison entre la sortie inférieure dudit deuxième réservoir séparateur et l'entrée dudit premier conduit de premier fluide réfrigérant, et · une conduite de liaison équipée d'une deuxième vanne entre d'une part la sortie de ladite pompe en amont de ladite première vanne, et d'autre part une jonction avec ladite conduite de liaison entre la sortie inférieure dudit deuxième réservoir séparateur et l'entrée dudit premier conduit de premier fluide réfrigérant. Plus particulièrement, une installation selon la présente invention comprend en outre :
• un quatrième conduit traversant ledit premier échangeur apte à faire circuler un dit deuxième flux de deuxième fluide réfrigérant à l'état gazeux ou liquide, et
• un deuxième échangeur cryogénique comprenant :
- un premier conduit de circulation traversant ledit deuxième échangeur apte à faire circuler un premier flux de deuxième fluide réfrigérant à l'état liquide
- un deuxième conduit de circulation traversant ledit deuxième échangeur apte à faire circuler un dit deuxième flux de deuxième fluide réfrigérant à l'état gazeux en continuité, et - un troisième conduit traversant ledit deuxième échangeur apte à faire circuler ledit gaz naturel à liquéfier en continuité dudit troisième conduit traversant ledit premier échangeur, et
• un troisième échangeur comprenant :
- un premier conduit de circulation traversant ledit troisième échangeur apte à faire circuler un dit deuxième flux de deuxième fluide réfrigérant à l'état gazeux en continuité dudit deuxième conduit de circulation traversant ledit deuxième échangeur, et
- un deuxième conduit traversant ledit troisième échangeur apte à faire circuler ledit gaz naturel à liquéfier en continuité dudit troisième conduit traversant ledit deuxième échangeur, et
• un troisième réservoir séparateur, et
• une conduite de liaison entre l'extrémité froide dudit quatrième conduit dudit premier échangeur et ledit troisième réservoir séparateur, et
• une conduite de liaison entre une sortie inférieure dudit troisième réservoir séparateur et un orifice de sortie à l'extrémité chaude dudit deuxième échangeur, et
• une conduite de liaison entre une sortie supérieure dudit troisième réservoir séparateur et l'extrémité chaude dudit deuxième conduit dudit deuxième échangeur, et
• un troisième détendeur entre la sortie froide dudit premier conduit dudit deuxième échangeur et une première entrée à l'extrémité froide de l'enceinte dudit deuxième échangeur, et
• un troisième compresseur avec une conduite de liaison entre une sortie à l'extrémité chaude de l'enceinte dudit deuxième échangeur et l'entrée dudit deuxième compresseur, et
• un échangeur refroidisseur de gaz avec une conduite de liaison entre la sortie dudit deuxième compresseur et l'entrée dudit échangeur refroidisseur de gaz, et
• une conduite de liaison entre la sortie dudit échangeur refroidisseur de gaz et l'entrée à l'extrémité chaude dudit quatrième conduit dudit premier échangeur, et
• un quatrième détendeur entre la sortie froide dudit premier conduit dudit troisième échangeur et une entrée à l'extrémité froide de l'enceinte dudit troisième échangeur, et
· une conduite de liaison entre une sortie à l'extrémité chaude de l'enceinte dudit troisième échangeur et une deuxième entrée à l'extrémité froide de l'enceinte dudit deuxième échangeur.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée de différents modes de réalisation qui va suivre, en référence aux figures suivantes.
- la figure 1A représente le diagramme d'un procédé standard de liquéfaction à double boucle avec changement de phase, mettant en œuvre des échangeurs cryogéniques bobinés,
- la figure 1B est une variante de la figure 1A dans laquelle les deuxième et troisième échangeurs cryogéniques C2 et C3 sont en continuité et du type dit « aluminium brasé » (en anglais « cold box »),
- la figure 2 représente le diagramme d'un procédé de liquéfaction selon l'invention, comportant au niveau de la boucle primaire de réfrigération, un circuit de recyclage d'une partie du fluide réfrigérant à l'état liquide vers la partie du fluide réfrigérant à l'état gazeux, au niveau d'un désurchauffeur (en anglais « desuperheater »), situé en amont d'un condenseur du fluide réfrigérant, - la figure 2A détaille en vue de côté en arraché, le désurchauffeur de la figure 2,
- la figure 3 représente le diagramme d'un procédé de liquéfaction selon une version préférée de l'invention, comportant au niveau de la boucle primaire de réfrigération, un réservoir séparateur de phase liquide et gazeuse en aval du condenseur de la figure 2 situé en aval d'un désurchauffeur,
Sur la figure 1A, on a représenté le PFD (Process Flow Diagram), c'est à dire le diagramme des flux d'un procédé standard de liquéfaction à changement de phase à double boucle appelé « DMR » (en anglais Dual Mixed Réfrigérant) utilisant comme gaz réfrigérant des mélanges de gaz spécifiques à chacune desdites deux boucles dénommés premier fluide réfrigérant et respectivement deuxième fluide réfrigérant, chacune des deux boucles étant totalement indépendante l'une de l'autre. Le gaz naturel circule dans des conduits en forme de serpentins
Sg traversant successivement trois échangeurs cryogéniques en série EC1, EC2 et EC3. Le gaz naturel entre en AA dans le premier échangeur cryogénique EC1 à une température T0, supérieure ou sensiblement égale à la température ambiante, et une pression PO de 20 à 50 bars (2 à 5 MPa). Le gaz naturel en sort en BB à T1 = -50°C environ. Dans cet échangeur EC1, le gaz naturel se refroidit, mais reste à l'état de gaz. Puis, il passe en CC dans un deuxième échangeur cryogénique EC2 dont la température est comprise entre T1 = -50°C environ à son extrémité chaude CC et T2 = -120°C environ à son extrémité froide DD. Dans ce deuxième échangeur EC2, la totalité du gaz naturel se liquéfie en GNL à une température de T2 = -120°C environ. Puis, le GNL passe en EE dans un troisième échangeur cryogénique EC3. Dans ce troisième échangeur EC3, le GNL est refroidi jusqu'à la température de T3 = -165°C ce qui permet d'évacuer le GNL en partie basse en FF, puis de le dépressuriser en GG pour enfin le stocker liquide à la pression atmosphérique ambiante, c'est à dire à une pression absolue de 1 bar environ (soit environ 0.1 MPa). Tout au long de ce parcours du gaz naturel dans le circuit Sg dans les divers échangeurs, le gaz naturel se refroidit en cédant des calories aux fluides réfrigérants, lesquelles se réchauffent en se vaporisant comme décrit ci-après et doivent subir de manière permanente des cycles thermodynamiques complets avec changement de phase pour pouvoir extraire de manière continue des calories au gaz naturel entrant en AA. Ainsi, le parcours du gaz naturel est représenté sur la gauche du
PFD, où ledit gaz circule du haut vers le bas dans le circuit Sg, la température étant décroissante du haut vers le bas, depuis une température TO sensiblement ambiante en haut en AA, jusqu'à une température T3 d'environ -165°C en bas en FF ; la pression étant sensiblement PO jusqu'au niveau FF de la sortie froide de l'échangeur cryogénique EC3.
Dans les figures 1 à 3, pour la clarté des explications les extrémités froides des échangeurs seront physiquement plutôt à une extrémité inférieure desdits échangeurs et vice versa les extrémités chaudes des échangeurs seront à leurs extrémités supérieures. De même, pour la clarté des explications, on a représenté les différentes phases des fluides réfrigérants comme suit :
- les phases liquides sont représentées en trait gras,
- les phases gazeuses sont représentées en pointillé, - les phases diphasiques sont représentées en trait normal.
Sur la partie droite du PFD, on a représenté les cycles thermodynamiques des fluides réfrigérants des deux boucles comme décrit ci-après.
Les échangeurs cryogénique EC1, EC2 et EC3 sont constitués, de manière connue, d'au moins deux circuits de fluides juxtaposés mais ne communiquant pas entre eux au niveau desdits fluides, les fluides circulant dans lesdits circuits échangeant de la chaleur tout au long du parcours au sein dudit échangeur thermique. De nombreux types d'échangeurs thermiques ont été développés pour les diverses industries et dans le cadre des échangeurs cryogéniques deux types prédominent de manière connue : - d'une part les échangeurs bobinés, d'autre part les échangeurs à plaque aluminium dites « brasées » appelés en anglais « cold box ».
La description de l'invention en référence aux figures 1A, 2 et 3, fait référence à des échangeurs EC1, EC2 et EC3 de type bobiné. Des échangeurs bobinés de ce type sont connus de l'homme de l'Art et commercialisés par les sociétés LINDE (Allemagne) ou FIVE Cryogénie (France). Ces échangeurs comprennent une enceinte 6 étanche et calorifugée, et le gaz naturel ainsi que les fluides réfrigérants y circulent dans des conduites en forme de serpentins Sg, SI et S2, lesdits serpentins étant disposés dans ladite enceinte étanche et calorifugée vis-à-vis de l'extérieur de telle manière que les échanges de calories se fassent entre le volume interne de l'enceinte et les différents serpentins, avec un minimum de pertes thermiques vers l'extérieur, c'est-à-dire le milieu ambiant. En outre, des gaz et liquides peuvent y être respectivement détendus ou vaporisés directement dans l'enceinte et non pas dans un conduit au sein de l'enceinte comme décrit ci-après.
Sur la figure 1B on a représenté une variante de la figure 1A dans laquelle les échangeurs cryogéniques sont du type échangeurs à plaques : tous les circuits sont en contact thermique les uns avec les autres pour échanger des calories, mais l'enceinte étanche et calorifugée 6 vise simplement à isoler thermiquement les différents conduits qu'elle renferme, aucun fluide ne pouvant y être introduit directement, tous les fluides qui y circulent ne peuvent donc pas se mélanger. Des échangeurs de ce type à plaques dits « cold box » sont connus de l'homme de l'Art et commercialisés par la société CHART (USA).
Le procédé comporte une première boucle dite boucle primaire ou en anglais « PMR » (Primary Mixed Réfrigérant) constituée comme suit. Un débit dl d'un premier flux de premier fluide réfrigérant entre en AA1 à l'extrémité chaude AA du premier échangeur cryogénique EC1 à une température sensiblement égale à T0 et une pression PI, par exemple PI étant de 1.5 à 10 MPa. Ledit premier fluide réfrigérant traverse à l'état liquide le premier échangeur EC1 dans une première conduite en forme de serpentin SI. Le premier flux de fluide réfrigérant sort de l'échangeur EC1 en BB aux alentours de Tl = -50°C avant d'être dirigé vers un premier détendeur Dl, constitué d'une vanne asservie, ladite vanne étant en communication en BB1 avec l'intérieur de l'enceinte 6 du premier échangeur ECl du côté de l'extrémité froide de l'échangeur ECl. Du fait de sa détente à une pression P'1 inférieure à PI, notamment P'1 étant égale à 2 à 5 MPa, le liquide du premier fluide réfrigérant se vaporise en absorbant les calories du circuit Sg de gaz naturel ainsi que les calories des autres circuits de la première boucle au sein du premier échangeur décrit ci-après ainsi que, le cas échéant, les calories des conduits faisant partie de la deuxième boucle décrite ci-après, voire d'autre boucles dans le cas de circuits à boucles multiples, appelé « MMR ».
Le premier fluide réfrigérant à l'état gazeux en BB1 traverse à contre-courant l'enceinte et ressort de l'enceinte du premier échangeur ECl en AA3 du côté chaud AA toujours à l'état gazeux et sensiblement à une température T0. Ledit premier flux de fluide réfrigérant à l'état gazeux va ensuite être reliquéfié et acheminé vers l'entrée chaude AA1 dudit premier échangeur ECl pour constituer l'alimentation d'un dit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état liquide à l'intérieure du conduit SI, circulant ainsi en circuit fermé. Pour ce faire, le flux de premier fluide réfrigérant sortant à l'état gazeux de l'extrémité froide de l'enceinte du premier échangeur ECl en AA3 est tout d'abord comprimé de P'1 à P"l, P"l étant compris entre P'1 et PI, dans un premier compresseur Cl, puis condensé partiellement dans un premier condenseur HO. Le mélange biphasique de premier fluide réfrigérant sortant du premier condenseur HO subit une séparation de phase dans un premier réservoir séparateur RI. Une première phase liquide du premier fluide réfrigérant est extraite en partie basse du premier réservoir séparateur RI et re-acheminée à un débit dla et une pression sensiblement PI par une pompe PP vers l'entrée d'un deuxième condenseur Hl. Une phase gazeuse de premier fluide réfrigérant est extraite depuis le côté supérieur du réservoir séparateur RI et comprimée à sensiblement la pression PI et un débit dlb par un deuxième compresseur CIA, la température en sortie dudit compresseur étant de l'ordre de 80-90°C. Pour faciliter la condensation de cette phase gazeuse dlb, celle-ci est mélangée à la phase liquide dla avant d'introduire le mélange biphasique dl obtenu dans le deuxième condenseur Hl.
Dans ce mode de réalisation de la technique antérieure selon les figures 1A et 1B, la condensation de la phase gazeuse en sortie du deuxième condenseur Hl n'est pas totale et le fluide en sortant peut encore être diphasique. Les gaz qu'il contient provoquent la montée en pression du fluide réfrigérant. Mais les conduites étant conçues pour fonctionner à une pression maximale donnée, on insère en générale une soupape de sûreté tarée à une pression légèrement inférieure à la pression limite tolérable par les conduites, ladite soupape (non représentée) étant reliée à une torchère 5, dans laquelle on élimine par combustion les gaz rejetés, car les quantités sont faibles comparées à la masse de fluide réfrigérant de la boucle. Il en résulte un problème dans le fait que la portion de gaz envoyée à la torchère est plus riche en composés les plus légers du mélange de premier fluide réfrigérant, ce qui a pour conséquence de modifier la composition du mélange réfrigérant et ainsi de modifier la température minimale atteinte Tl lors de la vaporisation du fluide réfrigérant liquide par ledit premier détendeur Dl au sein de l'enceinte du premier échangeur EC1.
Dans cette boucle primaire, la composition du mélange réfrigérant est déterminée en général en composés alcanes en Cl, C2, C3 et C4 décrite ci-après pour atteindre une température minimale Tl de l'ordre de -50°C. Mais, dès lors qu'une partie des composés les plus légers est éliminée, la composition du mélange change et la température minimale Tl devient alors -40 ou -45°C, voire -35°C. Il en résulte une baisse du rendement de la boucle primaire et donc une baisse du rendement global du procédé de liquéfaction.
Dans une variante améliorée des figures 1A et 1B, on introduit un réservoir accumulateur supplémentaire R'1 non représentée en aval du condenseur Hl dont la fonction est de recevoir une phase liquide, et le cas échéant une phase polyphasique de telle sorte que le gaz contenu dans la phase polyphasique se rassemble en partie haute dudit réservoir accumulateur et s'y trouve piégé, la phase liquide contenue dans R'1 étant prélevée en partie basse dudit réservoir accumulateur et étant acheminée vers EC1. Si la quantité de gaz dans R'1 augmente, la pression au sein de R'1 augmente et ledit gaz se condense et se mélange à la phase liquide avant d'être évacué vers l'échangeur cryogénique EC1. Lorsque la pression du gaz atteint une valeur limite une soupape s'ouvre et libère une partie du gaz vers la torchère 5 de manière à ce que la pression redescend alors à un niveau acceptable, évitant au gaz d'atteindre le point bas d'évacuation de la phase liquide dudit réservoir accumulateur, et donc de créer avec la phase liquide, un mélange diphasique dont la détente au niveau du détendeur Dl présente un problème redouté. Mais, dans tous les cas, la phase liquide en sortie de R'1 et recyclé dans SI présente une composition avec une teneur en composés les plus légers soit égale, soit diminuée.
Les adaptations de la boucle primaire selon la présente invention tels que décrits en liaison avec les figures 2 et 3 ci-après permettent de surmonter le problème d'instabilité, de dégradation du rendement global du procédé de liquéfaction décrit ci-dessus qui en résulte.
Les modes de réalisation des figures 1 à 3 comprennent une deuxième boucle de deuxième fluide réfrigérant, coopérant avec les trois échangeurs cryogéniques EC1, EC2 et EC3 comme décrit ci-après.
En sortie froide BB de l'échangeur cryogénique EC1, le gaz naturel à température Tl est partiellement liquéfié et passe alors dans le deuxième échangeur cryogénique EC2, d'où il sort à la température T2 partiellement liquéfié avant d'être refroidi entièrement liquéfié à une température T3 dans le troisième échangeur cryogénique EC3. Un deuxième mélange de fluide réfrigérant circule dans une deuxième boucle en circuit fermé avec changement de phase comme suit. Le deuxième fluide réfrigérant arrive à l'extrémité chaude CC de EC2 en CCI à l'état liquide à la température Tl et à la pression P2, P2 étant par exemple de 2.5 à 10 MPa. Le deuxième fluide réfrigérant à l'état liquide traverse le deuxième échangeur EC2 dans un conduit en forme de serpentin S2 à co-courant du fluide de gaz naturel dans Sg. Ce premier flux de deuxième fluide réfrigérant à l'état liquide de débit d2a est ensuite détendu dans un détendeur D2 au niveau de l'extrémité froide DD du deuxième échangeur EC2 en DD1 à une pression P'2 inférieure à P2 et à une température T2 inférieure à Tl à l'intérieur de l'enceinte du deuxième échangeur EC2. Puis, ce premier flux de deuxième fluide réfrigérant ressort de la deuxième enceinte à un orifice CC3 au niveau de l'extrémité chaude du deuxième échangeur EC2, à l'état gazeux et sensiblement à une pression P'2 et une température Tl. Ce flux de deuxième fluide réfrigérant à l'état gazeux est ensuite comprimé de P'2 à P2 dans un compresseur C2 dont il sort à une température d'environ 80-100°C, avant d'être refroidi dans un échangeur refroidisseur de température H2 dont il ressort toujours à l'état gazeux à une température sensiblement égale à T0 (20-30°C). Ce gaz de deuxième fluide réfrigérant est alors envoyé en AA4 vers le côté chaud AA du premier échangeur cryogénique EC1 pour se refroidir en le traversant dans une conduite en forme de serpentin S1B, d'où il ressort en BB3 à l'extrémité froide BB du premier échangeur EC1 à une température d'environ Tl = -50°C dans un état polyphasique, c'est-à-dire partiellement liquéfié, à un débit d2 pour être séparé dans un deuxième réservoir séparateur R2, dans lequel il se sépare dans une phase liquide et une phase vapeur. La phase liquide est envoyée à un débit d2a en CC3 vers le côté chaud CC du deuxième échangeur EC2 pour constituer l'alimentation dudit premier flux de deuxième fluide réfrigérant à l'état liquide au sein du serpentin S2 pour effectuer un nouveau cycle comme décrit ci-dessus. Le débit d2b de phase vapeur sortant du deuxième réservoir séparateur R2 est également dirigé vers le côté chaud CC du deuxième échangeur EC2 à sensiblement Tl et sensiblement P2 pour alimenter en CC2 un autre conduit en forme de serpentin S2A au sein du deuxième échangeur EC2. Le flux gazeux d2b de deuxième fluide réfrigérant ressort en DD3 à l'état vapeur à une pression sensiblement P2 et une température d'environ T2 = -120°C pour être dirigé vers le côté chaud EE du troisième échangeur cryogénique EC3, toujours à environ T2 = -120°C au sein duquel il se refroidi dans un conduit en forme de serpentin S3. Le fluide réfrigérant ressort du conduit S3 en FF toujours à l'état gazeux à la pression sensiblement P2 et une température d'environ T3 = -165°C avant d'être détendu à P'2 inférieur à P2 dans un détendeur D3 directement dans l'enceinte EC3 au niveau d'une extrémité froide en FF1 pour en ressortir à son extrémité chaude en EE1 à environ une pression P2 et une température T2 = -120°C et être redirigé vers la deuxième enceinte EC2 à son extrémité froide en DD2. Ce deuxième flux d2b de deuxième fluide réfrigérant à l'état gazeux se trouve alors en mélange avec le premier flux d2a de deuxième fluide réfrigérant vaporisé à l'état gazeux lors de la détente dans le détendeur D2 en DD1, le mélange des deux gaz sortant à un débit d2 = d2a + d2b en CC3 du deuxième échangeur EC2 pour effectuer un nouveau cycle à travers le compresseur C2 et le refroidisseur E2 comme décrit ci-dessus.
Sur la figure 1B, les échangeurs cryogéniques sont des échangeurs à plaques tels que décrits ci-dessus et les gaz des fluides vaporisés par les détendeurs Dl, D2 et D3 sont canalisés dans des conduits en forme de serpentin SIC, S2B et S2C au sein des respectivement premier échangeur EC1, deuxième échangeur EC2, troisième échangeur EC3 pour ressortir aux extrémités chaudes du premier échangeur EC1 en AA3 et respectivement du deuxième échangeur EC2 en CC3.
Sur la figure 1B, les deuxième et troisième échangeurs EC2 et EC3 ainsi que lesdites conduites S2A et S3 sont en continuité depuis l'extrémité chaude CC du deuxième échangeur EC2 vers l'extrémité froide FF du troisième échangeur EC3. Le retour de la phase gazeuse depuis le détendeur D3 en FF1 à l'extrémité froide du troisième échangeur vers la sortie CC3 à l'extrémité chaude du deuxième échangeur EC2 se fait dans un conduit en forme de serpentin S2C. De même, le retour de la phase gazeuse depuis le détendeur D2 en DD1 à l'extrémité froide du deuxième échangeur en DD1 jusqu'en CC3 à l'extrémité chaude du deuxième échangeur se fait dans une conduite en forme de serpentin S2B. Sur les figures 2 et 3, on a représenté deux variantes de réalisation du procédé selon l'invention. Les modifications par rapport au procédé de la technique antérieur des figues 1A et 1B se situent au niveau de la première boucle du premier fluide réfrigérant. Sur la figure 2, la phase liquide de premier fluide réfrigérant à la pression PI à un débit dla en sortie du premier réservoir séparateur RI est dédoublée en deux flux de débit dlc et dld = d'1, seule la deuxième partie liquide de débit d'1 étant envoyée directement vers l'extrémité chaude AA du premier échangeur EC1 pour constituer l'alimentation de premier flux de premier fluide réfrigérant liquide dans le conduit SI. Une partie de débit dlc représentant un rapport de débit massique de 2-5% par rapport au débit initial dla est envoyé dans un désurchauffeur DS, la phase gazeuse dlb en sortie du deuxième compresseur CIA rejoignant également l'entrée du désurchauffeur DS dont le fonctionnement sera explicité ci-après. La fraction de liquide de débit dlc envoyée vers le désurchauffeur DS est ajustée grâce à l'action conjuguée de la vanne asservie VI et du premier détendeur Dl décrit ci-après. Cette fraction dlc représente 2-10%, de préférence 3-5%, du débit dla de la pompe PP.
Sur la figure 2A, on a représenté en vue de côté et en arraché le désurchauffeur DS qui a pour fonction de refroidir la phase gazeuse dlb avant son entrée dans le condenseur Hl. Le désurchauffeur DS est constitué de façon connue d'une conduite d'entrée de gaz 1 reliée à une rampe interne 3 en forme de tube perforé présentant une pluralité d'orifices 4 de faible section répartis le longs et sur la périphérie de ladite rampe. Une conduite d'amené de liquide 2 en provenance de la pompe PP dont le débit dlc est contrôlé par la vanne asservie VI permet d'alimenter la rampe 3 en liquide de manière à créer un brouillard de gouttelettes liquides fines sortant des orifices 4 du fait de la pression de pulvérisation du liquide à travers ladite rampe 3. Les fines gouttelettes de liquide présentent alors une grande surface spécifique d'échange avec la phase gazeuse arrivant par la conduite d'amenée 1. Et, la chaleur latente d'évaporation de la phase liquide a pour effet de refroidir la phase gazeuse entrante. Ladite phase gazeuse présente en effet une température à l'entrée du désurchauffeur DS d'environ 80- 90°C, et, sa température en sortie du désurchauffeur n'est plus que de 55-65°C du fait des calories absorbées par la vaporisation du fluide liquide dlc. La quantité de liquide dlc injectée dans le désurchauffeur DS est ajustée avec précision de manière à ce que l'intégralité du flux sortant du désurchauffeur DS soit à l'état gazeux et présente donc une composition homogène gazeuse.
Un désurchauffeur DS de ce type est commercialisé par la Société FISHER-EMERSON (France). Sur la figure 2, le premier fluide réfrigérant sortant du désurchauffeur DS est ainsi intégralement à l'état gazeux à une température d'environ +55-65° avant d'être entièrement condensé dans un dit deuxième condenseur Hl qui est ici un condenseur total. En sortie du deuxième condenseur Hl, le premier fluide réfrigérant est intégralement à l'état liquide et représente un débit dl' acheminé à la température TO et à la pression sensiblement PI vers l'entrée chaude AA2 du premier échangeur EC1 qu'il traverse au sein d'un conduit en forme de serpentin S1A à co-courant des fluides traversant les conduites en forme de serpentin Sg et SI et S1B avant d'être dirigé vers un deuxième détendeur D1A constitué également d'une vanne asservie, le deuxième détendeur D1A étant en communication avec l'intérieur de l'échangeur EC1 au niveau de son extrémité froide en BB2. A ce niveau, le deuxième flux de premier fluide réfrigérant à l'état liquide se vaporise en absorbant les calories du conduit Sg de gaz naturel ainsi que les calories du flux du conduit SI, du conduit S1A et du conduit S1B.
Sur la figure 2, le premier flux de débit dl' et le deuxième flux de débit dl" de premier fluide réfrigérant vaporisés en BB1 et BB2 par le premier détendeur Dl et respectivement le deuxième détendeur D1A à l'extrémité froide et à l'intérieur de la première enceinte EC1 se mélangent à l'intérieur de ladite enceinte de l'échangeur EC1. Ce mélange ressort à son extrémité chaude en AA3 pour former le flux de débit dl = dl' + dl" de gaz de premier fluide réfrigérant ensuite comprimé dans le premier compresseur Cl de P'1 à P"l pour subir un nouveau cycle comme décrit précédemment. Ce mode de réalisation de la figure 2 est avantageux, car lors du pré-refroidissement du premier flux gazeux dans le désurchauffeur DS, le gaz léger en provenance du réservoir RI est alors mélangé avec une vapeur issue d'une phase liquide lourde dlc, et le mélange résultant est alors plus lourd que la seule phase gazeuse entrante, ce qui facilite alors sa condensation dans Hl et en permet une condensation totale et plus efficace.
Le fait que les deux premier flux de débit dl' et deuxième flux de débit dl" de premier fluide réfrigérant à l'état liquide sortant respectivement du deuxième condenseur Hl et de la pompe PP comme décrit ci-dessus ne soient pas mélangés avant de traverser le premier échangeur ECl mais traversent le premier échangeur ECl dans deux conduits séparés SI et S1A est également avantageux, car les deux flux présentent des compositions de premier fluide réfrigérant différentes, et de plus ils sont à des pressions différentes. Donc, leur mélange conduirait à des instabilités plus problématiques que celles de l'art antérieur. Il serait cependant possible de contrôler le mélange desdits deux flux liquides à l'aide de systèmes de régulation appropriés, par exemple des vannes de contrôle, mais ceci irait à rencontre de la simplicité et de la fiabilité recherchée dans ce type d'installation.
Sur la figure 3, on a représenté une variante préférée de réalisation de l'invention, dans laquelle le deuxième condenseur Hl n'est pas un condenseur total, une partie seulement du flux gazeux sortant du désurchauffeur DS est condensée dans le deuxième condenseur Hl. Le fluide biphasique sortant à un débit die du deuxième condenseur Hl subit une séparation de phase dans un deuxième réservoir séparateur R1A au sein duquel une deuxième phase liquide et une deuxième phase gazeuse de premier fluide réfrigérant sont séparées. Sur la figure 3, la deuxième phase liquide de fluide réfrigérant en sortie basse de R1A est acheminée vers le conduit SI et représente un débit dlf. Le débit dla en sortie de pompe PP est séparé en deux débits, respectivement dlc vers le désurchauffeur DS, débit ajusté par la première vanne de contrôle VI, le reliquat dld étant ajusté par une deuxième vanne VIA de contrôle, les deux dites vannes étant contrôlées en combinaison étroite l'une avec l'autre ; ledit reliquat dld étant ensuite mélangé avec le débit liquide dlf, puis acheminé vers le conduit SI à l'extrémité chaude de l'échangeur cryogénique ECl, sensiblement à la pression Pl. Sur la figure 3, la deuxième phase gazeuse du premier fluide réfrigérant en sortie haute du deuxième réservoir séparateur R1A représente un débit dl". Elle est acheminée à la température TO et à la pression sensiblement PI vers l'entrée AA2 de l'extrémité chaude AA du premier échangeur ECl pour le traverser dans le conduit SIA à l'état gazeux et non pas à l'état liquide comme dans le mode de réalisation de la figure 2. A l'extrémité froide du conduit SIA, le deuxième détendeur DIA détend à une pression P'1 inférieure à PI en BB2 le gaz de la deuxième phase gazeuse du premier fluide réfrigérant. Cette détente du gaz en BB2 de SIA par DIA absorbe alors les calories de Sg, SI, SIA et S1B en favorisant leur refroidissement, et, le cas échéant, absorbe les calories d'autres boucles dans le cas de circuits à boucles multiples, appelées MMR comme mentionné précédemment. Le fluide à l'état gazeux sortant en BB2 du deuxième détendeur DIA se mélange à la première partie de premier fluide réfrigérant vaporisé en BB1 pour ressortir en AA3 à un débit dl et être comprimé de P'1 à P"l, P"l étant compris entre P'1 et PI par le premier compresseur Cl. Puis, il sort du premier compresseur Cl sous forme de mélange biphasique, dont la phase liquide de débit dla est comprimée à sensiblement PI par la pompe PP et la phase gazeuse de débit dlb est comprimée à PI par le deuxième compresseur CIA, puis refroidie au sein du désurchauffeur DS, puis condensée partiellement ou totalement au sein du condenseur Hl, et enfin à nouveau séparée au sein du séparateur R1A, comme décrit ci- dessus, pour un nouveau cycle comme décrit précédemment. Dans la variante de réalisation de la figure 3, le détendeur Dl est un détendeur liquide vers gaz, tandis que le détendeur DIA est un détendeur gaz vers gaz.
Le mode de réalisation de la figure 3 est préféré car la vanne de contrôle VIA associée à la vanne de contrôle VI et au détendeur Dl autorise le mélange des deux phases liquides et leur vaporisation dans de bonnes conditions de stabilité d'une part, et d'autre part, il ne nécessite pas la mise en œuvre d'un condenseur total, ce qui augmente la stabilité globale du processus et donc sa fiabilité industrielle. Dans cette variante préférée, le flux liquide dl' représente environ 95% du flux massique de premier gaz réfrigérant, le flux gazeux dl" représentant le complément, c'est-à-dire environ 5%.
Les condenseurs HO et Hl et refroidisseur H2 peuvent être constitués d'échangeurs à eau, par exemple un échangeur à eau de mer ou de rivière, ou à air froid du type aéro-réfrigérant connu de l'homme de l'art.
Les compositions des premier et second fluides réfrigérants sont liées aux technologies retenues en termes d'échangeurs cryogéniques et de condenseurs et chaque constructeur ou fournisseur préconise ses compositions propres. Mais, ces compositions sont aussi étroitement liées à la composition du gaz naturel à liquéfier, et les composants des fluides réfrigérants sont avantageusement ajustés au cours du temps dès lors que des caractéristiques du gaz naturel changent de manière significative. A titre d'exemple, le premier fluide réfrigérant opérant en boucle dans l'échangeur EC1, donc de la température ordinaire T0 (20-30°C), jusqu'à une température minimale Tl de -50°C environ, est constitué du mélange suivant :
- Cl (méthane) ~ 2.5%
- C2 (éthane/éthylène) = ~ 60%
- C3 (propane) ~ 15%
- C4 (butane) ~ 20%
- C5 (pentane) ~ 2.5%
De même, le second fluide réfrigérant opérant en boucle dans les échangeurs EC1, EC2 et EC31, donc de Tl = -50°C environ, jusqu'à une température minimale de T3 = -165°C environ, est constitué du mélange suivant :
- N2 (azote) ~ 5%
- Cl (méthane) ~ 45%
- C2 (éthane/éthylène) = ~ 37%
- C3 (propane) ~ 13% Les puissances mécaniques mises en jeu pour une production annuelle de 2.5 MT/an dans l'ensemble de l'installation sont de l'ordre de 85MW :
- 50MW étant injectés au niveau du, compresseur C2, en général au moyen d'une première turbine à gaz non représentée
- 35MW étant injectés au niveau des compresseurs Cl et CIA, en général au moyen d'une seconde turbine à gaz, Cl absorbant sensiblement les 2/3 de cette puissance et CIA le tiers restant.
Ces puissances mises en jeu dans les procédés selon l'invention sont du même ordre et avec sensiblement la même répartition que celles de l'art antérieur. En revanche, lesdits procédés selon l'invention sont beaucoup plus stables et fiables et constituent de ce fait un optimum technique industriel.
L'invention a été décrite ci-dessus dans le cadre de procédés à deux boucles, une première boucle dite « chaude » correspondant aux circuits S1-S1A-S1B opérant au niveau de l'échangeur ECl (-50°C), et une seconde boucle dite « froide » correspondant aux circuits S2-S2A-S3 opérant au niveau des échangeurs EC2 (-50°C => -120°C) & EC3 (-120°C => -165°C). Mais, il existe des procédés similaires dans lesquels la boucle « chaude » est identique, mais la boucle « froide » est remplacée par deux boucles indépendantes comportant chacune un fluide réfrigérant propre, en général une deuxième boucle opérant au niveau de l'échangeur EC2, c'est-à-dire entre -50°C et -120°C, la troisième boucle opérant au niveau de l'échangeur EC3, c'est-à-dire entre -120°C et -165°C. Dans tous ces procédés, et quelque soit le type d'échangeur cryogénique, la boucle dite « chaude » correspondant à l'échangeur ECl reste sensiblement la même que celle décrite en référence à la figure 1A. Ainsi, l'invention s'applique à la quasi-totalité des procédés de liquéfaction de gaz naturel à boucles indépendantes multiples et à changement de phase.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel comprenant majoritairement du méthane, de préférence, au moins 85% de méthane, les autres composants comprenant essentiellement de l'azote et des alcanes en C-2 à C-4, dans lequel on liquéfie ledit gaz naturel à liquéfier par circulation d'un flux (Sg) dudit gaz naturel à une pression PO supérieure ou égale à la pression atmosphérique (Patm), de préférence PO étant supérieure à la pression atmosphérique, dans au moins 1 échangeur de chaleur cryogénique (EC1) par circulation en contact indirect avec au moins un premier flux (SI) de premier fluide réfrigérant comprenant un premier mélange de composés circulant dans au moins une première boucle en circuit fermé avec changement de phase, ledit premier flux de premier fluide réfrigérant entrant dans ledit premier échangeur à une première entrée (AA1) d'une extrémité dénommée « extrémité chaude » (AA) à une température sensiblement égale à la température TO d'entrée du gaz naturel dans ledit premier échangeur (EC1) et à une pression PI supérieure à PO, le traversant à co-courant dudit flux de gaz naturel (Sg) et en sortant à une extrémité dénommée « extrémité froide » (BB) à l'état liquide, ledit premier flux de premier fluide réfrigérant (SI) à l'état liquide étant détendu par un premier détendeur (Dl) au niveau de l'extrémité froide (BB) dudit premier échangeur (EC1) pour se retrouver à l'état gazeux à une pression P'1 inférieure à PI et à une température Tl inférieure à TO à l'intérieur dudit premier échangeur du côté (BB1) de son extrémité froide, puis efl- ressortant du premier échangeur (EC1) à un orifice de sortie (AA3) de son extrémité chaude (AA) à l'état gazeux et sensiblement à une température TO, ledit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état gazeux étant ensuite au moins partiellement reliquéfié et acheminé vers la première entrée (AA1) de l'extrémité chaude dudit premier échangeur pour constituer l'alimentation en dit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état liquide (SI) circulant ainsi en circuit fermé, la liquéfaction dudit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état gazeux comprenant une première compression dans un premier compresseur (Cl) puis une première condensation partielle dans un premier condenseur (H0) et une séparation de phase dans un premier réservoir séparateur (RI) séparant une première phase liquide de premier fluide réfrigérant et une première phase gazeuse de premier fluide réfrigérant, ladite première phase liquide (dla) de premier fluide réfrigérant en sortie basse dudit premier séparateur (RI) étant acheminée par une pompe (PP) à sensiblement la pression PI, au moins en partie vers ladite première entrée (AA1) de l'extrémité chaude (AA) dudit premier échangeur pour constituer ledit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état liquide, ladite première phase gazeuse (dlb) dudit premier fluide réfrigérant en sortie haute dudit premier séparateur (RI) étant comprimée à sensiblement la pression PI par un deuxième compresseur (CIA) puis condensée au moins partiellement dans un deuxième condenseur (Hl), de préférence après mélange avec au moins une partie de ladite première phase liquide (dla) de premier fluide réfrigérant, caractérisé en ce que ladite première phase gazeuse (dlb) de dit premier fluide réfrigérant en sortie dudit deuxième compresseur (CIA) est refroidie dans un désurchauffeur (DS) par contact avec une partie (dlc) de ladite première phase liquide (dla) de premier fluide réfrigérant en sortie dudit premier séparateur, ladite partie (dlc) de première phase liquide de premier fluide réfrigérant étant micronisée et vaporisée, de préférence entièrement vaporisée, au sein dudit désurchauffeur, avant ladite condensation dans ledit deuxième condenseur (Hl).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite partie de première phase liquide de premier fluide réfrigérant (dlc) représente moins de 10% en débit massique, de préférence encore de 2 à 5% du débit de ladite première phase liquide totale de premier fluide réfrigérant (dla), de manière à ce qu'elle soit entièrement vaporisée au sein dudit désurchauffeur (DS) et que le premier fluide réfrigérant en sortie dudit désurchauffeur soit entièrement en phase gazeuse (die) avant sa condensation au moins partielle dans ledit deuxième condenseur, le débit (dlc) de ladite partie de première phase liquide de premier fluide réfrigérant étant ajusté à l'aide d'au moins une vanne de contrôle (VI, VIA).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite phase gazeuse (die) de premier fluide réfrigérant refroidie en sortie dudit désurchauffeur est partiellement condensée dans ledit deuxième condenseur (Hl), puis une deuxième séparation de phase est réalisée dans une deuxième réservoir séparateur (R1A) séparant une deuxième phase liquide de premier fluide réfrigérant (dlf) et une deuxième phase gazeuse (dl") de premier fluide réfrigérant, ladite deuxième phase liquide (dlf) de premier fluide réfrigérant en sortie basse (dlf) dudit deuxième réservoir séparateur (R1A) étant mélangée avec le reliquat (dld) de ladite première phase liquide (dla) de premier fluide réfrigérant et acheminée vers ladite première entrée (AA1) de l'extrémité chaude (AA) dudit premier échangeur (EC1) pour former ledit premier flux (dl') de premier fluide réfrigérant à l'état liquide sensiblement à la température T0 et sensiblement à la pression PI, et, ladite deuxième phase gazeuse en sortie haute (d2b) du deuxième réservoir séparateur (R1A) étant acheminée à ladite pression PI et dite température sensiblement T0 vers une deuxième entrée (AA2) à l'extrémité chaude (AA) dudit premier échangeur (EC1) pour former un deuxième flux de premier fluide réfrigérant (S1A) traversant à l'état gazeux ledit premier échangeur à co-courant dudit flux de gaz naturel (Sg) et en sortant (BB) à l'état gazeux et étant détendu par un deuxième détendeur (DIA) au niveau de l'extrémité froide (BB3-) dudit premier échangeur (EC1) pour se retrouver à l'état gazeux à une pression P'1 inférieure à PI et à une température Tl inférieure à T0 à l'intérieur dudit premier échangeur du côté (BB2) de son extrémité froide, puis en ressortant audit orifice de sortie (AA3) à son extrémité chaude à l'état gazeux et sensiblement à une température T0 pour être ensuite acheminée vers ledit premier compresseur (Cl) avec ledit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état gazeux en sortie de l'extrémité chaude (AA) dudit premier échangeur (EC1).
4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite phase gazeuse (die) de premier fluide réfrigérant refroidie dans ledit désurchauffeur (DS) est totalement condensée dans ledit deuxième condenseur (Hl), puis est acheminée à l'état liquide sensiblement à ladite pression PI et dite température T0 vers l'extrémité chaude (AA) dudit premier échangeur (EC1) pour traverser ledit premier échangeur à co-courant dudit flux de gaz naturel (Sg) en mélange avec ledit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état liquide ou de préférence pour former un deuxième flux (S1A) de premier fluide réfrigérant à l'état liquide traversant ledit premier échangeur à co-courant dudit flux de gaz naturel (Sg) et en sortant (BB) à l'état liquide et étant détendu par un deuxième détendeur (D1A) au niveau de l'extrémité froide (BB) dudit premier échangeur (EC1) pour se retrouver à l'état gazeux à une pression P'1 inférieure à PI et à une température Tl inférieure à T0 à l'intérieur dudit premier échangeur du côté (BB2) de son extrémité froide, puis en ressortant à son orifice de sortie (AA3) de l'extrémité chaude (AA) à l'état gazeux et sensiblement à une température T0 pour être acheminée vers ledit premier compresseur (Cl) avec ledit premier flux de premier fluide réfrigérant à l'état gazeux en sortie de l'extrémité chaude (AA) dudit premier échangeur.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit gaz naturel sortant de l'extrémité froide dudit premier échangeur (EC1) à une température sensiblement égale à Tl, est refroidi et au moins partiellement liquéfié dans au moins un deuxième échangeur cryogénique (EC2), dans lequel on liquéfie ledit gaz naturel à liquéfier par circulation du flux (Sg) dudit gaz naturel en contact indirect avec au moins un premier flux (S2) de deuxième fluide réfrigérant comprenant un deuxième mélange de composés circulant dans au moins une deuxième boucle en circuit fermé avec changement de phase, ledit deuxième flux de fluide réfrigérant entrant dans ledit deuxième échangeur (EC2) à une première entrée (CCI) de l'extrémité dénommée « extrémité chaude » (CC) dudit deuxième échangeur à une température sensiblement égale à Tl et à une pression P2, traversant ledit deuxième échangeur à co-courant dudit flux de gaz naturel (Sg) et en sortant (DD) à une température à l'état liquide à une extrémité dénommée « extrémité froide » (DD) dudit deuxième échangeur, ledit premier flux de deuxième fluide réfrigérant (S2) à l'état liquide étant détendu par un troisième détendeur (D2) au niveau de l'extrémité froide (DDl) dudit deuxième échangeur (EC2) pour se retrouver à l'état gazeux à une pression P'2 inférieure à P2 et à une température T2 inférieure à Tl à l'intérieur dudit deuxième échangeur du côté (DD1) de son extrémité froide, puis ressortant à un orifice de sortie (CC3) à l'extrémité chaude dudit deuxième échangeur (EC2) à l'état gazeux sensiblement à une température Tl, ledit premier flux de deuxième fluide à l'état gazeux étant ensuite partiellement reliquéfié et acheminé vers l'entrée (CCI) à l'extrémité chaude dudit deuxième échangeur pour constituer l'alimentation en dit premier flux de deuxième fluide réfrigérant à l'état liquide (S2) circulant ainsi en circuit fermé, la liquéfaction dudit premier flux de deuxième fluide réfrigérant à l'état gazeux (S2) comprenant une compression à une pression P2 par un troisième compresseur (C2) puis un refroidissement à sensiblement T0 dans un échangeur de chaleur refroidisseur (H2), puis ledit premier flux de deuxième fluide réfrigérant à l'état gazeux étant acheminé vers une entrée (AA4) à l'extrémité chaude (AA) dudit premier échangeur (EC1) qu'il traverse (S1B) pour en ressortir (BB3) à son extrémité froide (BB) à l'état partiellement liquéfié sensiblement à la température Tl, puis subit une séparation de phase dans un troisième réservoir séparateur (R2) séparant une phase liquide de deuxième fluide réfrigérant et une phase gazeuse de deuxième fluide réfrigérant, la phase liquide (d2a) de deuxième fluide réfrigérant en sortie basse dudit troisième séparateur (R2) étant acheminée à sensiblement la température Tl et la pression P2, vers ladite première entrée (CCI) à l'extrémité chaude (CC) dudit deuxième échangeur pour former ledit premier flux de deuxième fluide réfrigérant à l'état liquide (S2), ladite phase gazeuse (d2b) de dit deuxième fluide réfrigérant en sortie haute dudit troisième séparateur (R2) étant envoyée vers une deuxième entrée (CC2) à l'extrémité chaude (CC) dudit deuxième échangeur (EC2) à sensiblement la température Tl et la pression P2 pour former un deuxième flux (S2A) de deuxième fluide réfrigérant traversant ledit deuxième échangeur (EC2) à l'état gazeux sortant (DD3) à l'extrémité froide dudit deuxième échangeur (EC2), avant de ressortir à un orifice de sortie (CC3) du côté de l'extrémité chaude (CC) dudit deuxième échangeur pour être acheminé vers ledit troisième compresseur (C2) avec ledit premier flux de deuxième fluide à l'état gazeux, de préférence en mélange avec celui-ci.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit gaz naturel sortant de l'extrémité froide (DD) dudit deuxième échangeur (EC2) à une température sensiblement égale à T2 partiellement liquéfié, est refroidi et entièrement liquéfié à une température T3 inférieure à T2 dans au moins un troisième échangeur cryogénique (EC3), dans lequel ledit gaz naturel circule (Sg) en contact indirect à co-courant avec au moins un troisième flux de deuxième fluide réfrigérant (S3) alimenté par ledit deuxième flux (S2A) de deuxième fluide réfrigérant à l'état gazeux sortant (DD3) de l'extrémité froide dudit deuxième échangeur (EC2) sensiblement à la température T2 et à la pression P2, ledit troisième flux de deuxième fluide réfrigérant (S3) traversant à l'état gazeux ledit troisième échangeur (EC3) à co-courant dudit flux de gaz naturel liquéfié (Sg) et en sortant (FF) sensiblement à l'état gazeux et étant détendu par un quatrième détendeur (D3) au niveau de l'extrémité froide (FF) dudit troisième échangeur (ECl) pour se retrouver (FFl) à l'état gazeux à une pression P2' inférieure à P2 et à une température T3 inférieure à T2 à l'intérieur dudit troisième échangeur du côté (FFl) de son extrémité froide, puis en ressortant à un orifice (EE1) à son extrémité chaude (EE) à l'état gazeux et sensiblement à une température T2 pour être ensuite acheminée vers un orifice (DD2) à l'extrémité froide (DD) dudit deuxième échangeur (EC2) pour en ressortir à un orifice (CC3) à l'extrémité chaude (CC) dudit deuxième échangeur (EC2) pour être acheminé vers ledit troisième compresseur (C2) avec ledit premier flux de deuxième fluide à l'état gazeux, de préférence en mélange avec celui- ci.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits détendeurs (Dl, DIA, D2, D3) comprennent des vannes dont le pourcentage d'ouverture est apte à être contrôlé (R) en temps réel.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les composés du gaz naturel et des fluides réfrigérants sont choisis parmi le méthane, azote, éthane, éthylène, propane, butane, et pentane.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la composition du gaz naturel à liquéfier est comprise dans les fourchettes suivantes pour un total de 100% des composés suivants : - Méthane de 80 à 100%,
- azote de 0 à 20 %,
- éthane de 0 à 20 %,
- propane de 0 à 20 %, et
- butane de 0 à 20 %.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, ca ractérisé en ce que la composition des flu ides réfrigérants est comprise dans les fou rchettes su ivantes pour u n total de 100% des composés suivants :
- Méthane de 2 à 50%,
- azote de 0 à 10 %,
- éthane et/ou éthylène de 20 à 75 %,
- propane de 5 à 20 %, et
- butane de 0 à 30 %, et
- pentane de 0 à 10%.
11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce q ue les températures ont les valeu rs suivantes :
- T0 est sont de 10 à 60°C, et
- Tl est de -30 à -70°C, et
- T2 est de -100 à - 140°C, et
- T3 est de -160 à - 170°C.
12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce q ue les pressions ont les valeu rs :
- P0 est de 0.5 à 10 M Pa (sensiblement 5 à 100 bar), et
- PI est de 1.5 à 10 M Pa (sensiblement 15 à 100 bar), et
- P2 est de 2.5 à 10 M Pa (sensiblement 25 à 100 bar) .
13. Instal lation embarq uée sur un su pport flottant pour mettre en œuvre un procédé selon l'u ne des revendications 1 à 12, caractérisée en ce qu'el le comprend :
• au moins un d it premier échangeur (EC1) comprenant au moins :
un premier condu it de circu lation (SI) traversant led it premier échangeu r (EC1) apte à faire circu ler u n premier flux (SI) de premier fluide réfrigérant à l'état liquide
- un deuxième conduit (S1A) de circulation traversant ledit premier échangeur (EC1) apte à faire circuler un dit deuxième flux de premier fluide réfrigérant à l'état gazeux ou liquide, et
- un troisième conduit (Sg) traversant ledit premier échangeur (EC1) apte à faire circuler ledit gaz naturel à liquéfier, et
• un premier détendeur (Dl) entre la sortie froide dudit premier conduit (SI) et une première entrée à l'extrémité froide (BB1) de l'enceinte dudit premier échangeur, et
• un deuxième détendeur (D1A) entre la sortie froide dudit deuxième conduit (S1A) et une deuxième entrée à l'extrémité froide (BB2) de l'enceinte dudit premier échangeur, et
• un premier compresseur (Cl) avec une conduite de liaison entre une sortie (AA3) à l'extrémité chaude de l'enceinte dudit premier échangeur (EC1) et l'entrée dudit premier compresseur (Cl), et
• un premier condenseur (HO) avec une conduite de liaison entre la sortie dudit premier compresseur (Cl) et l'entrée dudit premier condenseur, et
· un premier réservoir séparateur (RI) avec une conduite de liaison entre la sortie dudit premier condenseur et ledit premier réservoir séparateur, et
• un deuxième compresseur (CIA) avec une conduite de liaison entre une sortie supérieure dudit premier réservoir séparateur et l'entrée dudit deuxième compresseur, et
• un désurchauffeur (DS) avec une conduite de liaison entre la sortie dudit deuxième compresseur et une entrée de gaz (1) dans ledit désurchauffeur, et
• un deuxième condenseur (Hl) avec une conduite de liaison entre la sortie dudit désurchauffeur et ledit deuxième condenseur, et
• une pompe (PP) avec une conduite de liaison entre la sortie inférieure dudit premier réservoir séparateur (RI) et ladite pompe, et une conduite de liaison équipée d'une première vanne (VI) entre la sortie de ladite pompe (PP) et une entrée de liquide (2) dans ledit surchauffeur (DS), et
• une conduite de liaison entre la sortie de ladite pompe (PP) et l'entrée dudit premier conduit de premier fluide réfrigérant (SI), et · une conduite de liaison entre la sortie dudit deuxième condenseur (Hl) et l'entrée dudit deuxième conduit de premier fluide réfrigérant (S1A).
14. Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre :
· un deuxième réservoir séparateur (RIA) avec une conduite de liaison entre la sortie dudit deuxième condenseur (Hl) et ledit deuxième réservoir séparateur (RIA), et
• une conduite de liaison entre la sortie supérieure dudit deuxième réservoir séparateur (RIA) et l'entrée dudit deuxième conduit de premier fluide réfrigérant (S1A), et
• une conduite de liaison entre la sortie inférieure dudit deuxième réservoir séparateur (RIA) et l'entrée dudit premier conduit de premier fluide réfrigérant (SI), et
• une conduite de liaison équipée d'une deuxième vanne (VIA) entre d'une part la sortie de ladite pompe (PP) en amont de ladite première vanne (VI), et d'autre part une jonction avec ladite conduite de liaison entre la sortie inférieure dudit deuxième réservoir séparateur (RIA) et l'entrée dudit premier conduit de premier fluide réfrigérant (SI).
15. Installation selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre :
• un quatrième conduit (S1B) traversant ledit premier échangeur (EC1) apte à faire circuler un dit deuxième flux de deuxième fluide réfrigérant à l'état gazeux ou liquide, et
· un deuxième échangeur cryogénique (EC2) comprenant :
un premier conduit de circulation (S2) traversant ledit deuxième échangeur (EC2) apte à faire circuler un premier flux de deuxième fluide réfrigérant à l'état liquide
- un deuxième conduit (S2A) de circulation traversant ledit deuxième échangeur (EC2) apte à faire circuler un dit deuxième flux de deuxième fluide réfrigérant à l'état gazeux en continuité, et
- un troisième conduit (Sg) traversant ledit deuxième échangeur (EC2) apte à faire circuler ledit gaz naturel à liquéfier en continuité dudit troisième conduit (Sg) traversant ledit premier échangeur (EC1), et
• un troisième échangeur (EC3) comprenant :
- un premier conduit de circulation (S3) traversant ledit troisième échangeur (EC3) apte à faire circuler undit deuxième flux de deuxième fluide réfrigérant à l'état gazeux en continuité dudit deuxième conduit (S2A) de circulation traversant ledit deuxième échangeur (EC2), et
- un deuxième conduit (Sg) traversant ledit troisième échangeur (EC3) apte à faire circuler ledit gaz naturel à liquéfier en continuité dudit troisième conduit (Sg) traversant ledit deuxième échangeur (EC2), et
• un troisième réservoir séparateur (R2), et
• une conduite de liaison entre l'extrémité froide dudit quatrième conduit (SIB) dudit premier échangeur et ledit troisième réservoir séparateur (R2), et · une conduite de liaison entre une sortie inférieure dudit troisième réservoir séparateur et un orifice de sortie (CC3) à l'extrémité chaude dudit deuxième échangeur (EC2), et
• une conduite de liaison entre une sortie supérieure dudit troisième réservoir séparateur et l'extrémité chaude dudit deuxième conduit (S2A) dudit deuxième échangeur, et
• un troisième détendeur (D2) entre la sortie froide dudit premier conduit (S2) dudit deuxième échangeur (EC2) et une première entrée à l'extrémité froide (DDl) de l'enceinte dudit deuxième échangeur (EC2), et
• un troisième compresseur (C2) avec une conduite de liaison entre une sortie (CC3) à l'extrémité chaude de l'enceinte dudit deuxième échangeur (EC2) et l'entrée dudit deuxième compresseur (C2), et
« un échangeur refroidisseur de gaz (H2) avec une conduite de liaison entre la sortie dudit deuxième compresseur (C2) et l'entrée dudit échangeur refroidisseur de gaz (H2), et
• une conduite de liaison entre la sortie dudit échangeur refroidisseur de gaz (H2) et l'entrée à l'extrémité chaude dudit quatrième conduit (S1B) dudit premier échangeur (EC1), et
• un quatrième détendeur (D3) entre la sortie froide dudit premier conduit (S3) dudit troisième échangeur (EC3) et une entrée à l'extrémité froide (FF1) de l'enceinte dudit troisième échangeur (EC3), et
• une conduite de liaison entre une sortie (EE1) à l'extrémité chaude de l'enceinte dudit troisième échangeur (EC3) et une deuxième entrée (DD2) à l'extrémité froide de l'enceinte dudit deuxième échangeur (EC2).
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