EP3252407A1 - Procédé de liquéfaction de gaz naturel et de dioxyde de carbone - Google Patents

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EP3252407A1
EP3252407A1 EP17171777.0A EP17171777A EP3252407A1 EP 3252407 A1 EP3252407 A1 EP 3252407A1 EP 17171777 A EP17171777 A EP 17171777A EP 3252407 A1 EP3252407 A1 EP 3252407A1
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EP
European Patent Office
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natural gas
liquefaction
unit
stream
enriched
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17171777.0A
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German (de)
English (en)
Inventor
Pierre COSTA DE BEAUREGARD
Michele MURINO
Delphine PICHOT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration

Definitions

  • the present invention relates to a process for liquefying a hydrocarbon stream such as natural gas in particular in a process for the production of liquefied natural gas and liquid CO 2 .
  • refrigerant streams are used to produce cold at different levels of a main heat exchanger by vaporizing against the hydrocarbon stream to be liquefied (typically natural gas).
  • the present invention relates to a method of thermal integration between a natural gas liquefaction unit and a CO 2 purification / liquefaction unit.
  • natural gas can be stored and transported over long distances more easily in liquid form than in gaseous form, because it occupies a smaller volume for a given mass and does not need to be stored at high pressure.
  • natural gas typically contains hydrocarbons and CO 2 (about 0.5% to 5% mol). In order to avoid the freezing of the latter during liquefaction of natural gas, it should be removed.
  • a means for removing CO 2 from the natural gas stream is, for example, an amine wash upstream of a liquefaction cycle.
  • the amine wash separates the CO 2 from the feed gas by washing the stream of natural gas with a solution of amines in an absorption column.
  • the amine solution enriched in CO 2 is recovered in the vat of this absorption column and is regenerated at low pressure in an amine regeneration column (or stripping in English).
  • an acid gas rich in CO 2 is rejected.
  • the stream of natural gas by an amine wash rejects a concentrated stream of CO 2 "acid gas", most often directly emitted to the atmosphere.
  • This purification is performed by a dedicated CO 2 purification unit requiring the installation of a dedicated refrigeration cycle (typically a refrigeration system operating with ammonia for example).
  • a dedicated refrigeration cycle typically a refrigeration system operating with ammonia for example.
  • the function of the "cold group” refrigeration cycle is to provide the necessary cold for the CO 2 purification / liquefaction process.
  • the condenser of the distillation column implemented in step 3 represents approximately 50% of the total cooling requirements.
  • This cold can be provided via a dedicated refrigeration cycle (typically ammonia or propane) possibly coupled with a cooling system with water.
  • the frigory production system represents a significant cost of the CO 2 purification and liquefaction unit and adds complexity of implementation to the site of implementation of the process, which represents a constraint.
  • An existing solution consists in dissociating the two units (liquefaction of natural gas and purification of CO 2 ) which requires the establishment of two systems of production of frigories, one for the liquefaction unit of natural gas and one for the CO 2 purification unit.
  • the inventors of the present invention have then developed a solution to solve the problem raised above, namely to minimize the investment in a system of production of frigories in the unit of purification / liquefaction of CO 2 and therefore d optimize investment spending while maintaining optimal efficiency for the liquefaction of natural gas in the liquefaction unit.
  • all the cold necessary for the liquefaction of the gas stream enriched in CO 2 and the liquefaction of natural gas is provided by said system for producing frigories of the natural gas liquefaction unit.
  • the object of the present invention is to thermally couple a liquefaction unit of a gas rich in hydrocarbons, typically natural gas, with a CO 2 purification / liquefaction unit.
  • thermal coupling means for producing frigories to ensure the thermal balance of the two units, typically refrigeration cycle compressor, and possibly a turbine / booster system in the case of nitrogen cycle.
  • turbine / blower system means a turbine mechanically coupled (via a common shaft) to a single-stage compressor.
  • the power generated through the turbine being directly transmitted to the single-stage compressor.
  • This thermal integration is materialized by pooling any column, heat exchanger, unit or other suitable arrangement (typically a heat exchanger) where currents related to the liquefaction process of natural gas and currents related to the process of purification / liquefaction of CO 2 heat exchange.
  • the method which is the subject of the present invention makes it possible to dispense with the cold group initially necessary for liquefying the CO 2 and for withdrawing the cold directly from the natural gas liquefier.
  • This thermal integration thus makes it possible to dispense with equipment in the CO 2 purification unit.
  • the proposed integration allows to provide cold at the three necessary temperature levels.
  • a process as defined above characterized in that the gas stream enriched in CO 2 from step a) is purified prior to step c), the cold required for this purification being provided by said frigory production system the liquefaction unit of natural gas.
  • a process as defined above, characterized in that said unit for liquefying natural gas comprises at least one refrigeration cycle supplied with a cooling stream containing at least one of the constituents chosen from nitrogen, methane, ethylene, ethane, propane, ammonia, butane and pentane.
  • a process as defined above characterized in that the cold required for the liquefaction of the gas stream enriched in CO 2 comes from a refrigerant previously cooled in the heat exchanger of the natural gas liquefaction unit.
  • the present invention also relates to a device for producing liquefied natural gas and liquefied CO 2 comprising a unit for treating a feed gas, producing at least one gas stream enriched in CO 2 and a stream of depleted natural gas. in CO 2 , and a unit for liquefying natural gas, said natural gas liquefaction unit comprising at least one main heat exchanger and a frigory production system, characterized in that the frigory production system is suitable for and designed to liquefy both the CO 2 enriched stream from the treatment unit and the natural gas stream flowing in the natural gas liquefaction unit.
  • a device as defined above characterized in that said system for producing frigories comprises a refrigerating cycle, comprising a compressor driven by a thermal or electrical engine, a circulation circuit of a refrigerant fluid.
  • a device as defined above characterized in that it comprises a unit for purifying and liquefying gas enriched with CO 2 comprising at least one compression means, a purification means and at least one distillation column, characterized in that said device is designed such that the cold necessary for the implementation of the purification unit and liquefaction of CO 2 enriched gas comes from a refrigerant cooled in said main heat exchanger the liquefaction unit of natural gas.
  • the refrigeration requirement of a natural gas liquefaction unit is generally greater than the refrigeration requirement of a CO 2 purification / liquefaction unit, it is relevant to take advantage of the available capacity of the machines (compressors and / or turbine / superchargers) of the natural gas liquefaction unit to ensure all or at least partially the refrigeration requirement of the CO 2 purification / liquefaction unit and in particular to limit the investment in machinery of the purification / liquefaction unit of CO 2 .
  • the incremental investment to increase the liquefaction capacity of a hydrocarbon liquefier is well below the incremental investment to increase the liquid production capacity of a CO 2 purification / liquefaction unit.
  • the hydrocarbon stream to be liquefied is typically a stream of natural gas obtained from natural gas fields, oil reservoirs or a domestic gas network distributed via pipelines.
  • the flow of natural gas is essentially composed of methane.
  • the feed stream comprises at least 80 mol% of methane.
  • natural gas contains quantities of hydrocarbons heavier than methane, such as, for example, ethane, propane, butane and pentane, as well as certain aromatic hydrocarbons.
  • the natural gas stream also contains non-hydrocarbon products such as H 2 O, N 2 , CO 2 , H 2 S and other sulfur compounds, mercury and others.
  • the feed stream containing the natural gas is thus pretreated before being introduced into the heat exchanger.
  • This pre-treatment includes reducing and / or eliminating undesirable components such as CO 2 and H 2 S, or other steps such as pre-cooling and / or pressurizing. Since these measurements are well known to those skilled in the art, they are not further detailed here.
  • natural gas refers to any composition containing hydrocarbons including at least methane. This includes a "raw” composition (prior to any treatment or wash), as well as any composition that has been partially, substantially, or wholly processed for the reduction and / or elimination of one or more compounds, including but not limited to limit, sulfur, carbon dioxide, water, mercury and some heavy and aromatic hydrocarbons.
  • the heat exchanger may be any heat exchanger, unit or other arrangement adapted to allow the passage of a number of flows, and thus allow a direct or indirect heat exchange between one or more lines of refrigerant, and a or multiple feed streams.
  • a natural gas feed stream 1 (for example at a flow rate of 500,000 tons per year or about 60 tons per hour) containing CO 2 is introduced into a treatment unit 2 in which said stream 1 is separated into at least two gaseous streams 3 and 4.
  • the natural gas feed stream 1 contains, for example, from 0.1 to 5 mol% of CO 2 .
  • the first stream 3 is a stream of natural gas depleted in CO 2 .
  • the second stream 4 is current enriched in CO 2 .
  • the treatment unit 2 is a unit which separates the CO 2 from the natural gas stream, for example a chemical absorption unit, in particular an amine washing unit (type MDEA, MEA, etc.) which makes it possible to produce concentrated CO 2 at low pressure (typically slightly above atmospheric pressure).
  • Concentrated (or purified) CO 2 is understood to mean a stream containing more than 95 mol% of CO 2 on a dry basis.
  • the natural gas stream 3 depleted in CO 2 is introduced into the main exchanger 8 of a unit 5 Liquefied natural gas liquefies 14.
  • a heavy hydrocarbon rich stream 10 is withdrawn from the liquefaction unit 5 to avoid any risk of freezing.
  • Said stream 10 is extracted from the liquefaction unit 5 via a washing column 11.
  • a cooling stream circulates in a closed cycle in the heat exchanger 8 to provide the cold necessary to liquefy said stream 3 of natural gas.
  • the liquefaction cycle 9 uses a refrigerant that can be a mixture of refrigerants selected from typically nitrogen, methane, ethane, ethylene, propane, butane, pentane. It can be a cycle based on a refrigerant cycle consisting of a refrigerant or a mixture of several refrigerants.
  • a current [not shown in the figure] of refrigerant is introduced into the system 9 for producing frigories of the liquefaction unit 5 via a compressor (and possibly a via compressor / booster system).
  • the second gaseous stream 4 enriched in CO 2 from the treatment unit 2 is compressed at medium pressure (typically Bar abs), cooled, purified (removal of any trace of H 2 O hydrocarbons, sulfur derivatives in particular) and returned to a distillation column (stripping column) which separates the incondensables at the top of the concentrated liquid CO 2 recovered in the tank.
  • medium pressure typically Bar abs
  • purified removal of any trace of H 2 O hydrocarbons, sulfur derivatives in particular
  • a distillation column stripping column
  • a refrigerant 13 (typically but not only ammonia or propane) flows between the CO 2 purification / liquefaction unit 6 and the natural gas liquefaction unit 5: it enters the heat exchanger 8 at room temperature, is condensed at a temperature between -10 ° C and -40 ° C (typically around -20 ° C / -30 ° C) to be returned to the CO 2 purification / liquefaction unit 6.

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Abstract

Procédé de production de gaz naturel liquéfié (14) et de dioxyde de carbone (CO 2 ) liquide (15) comprenant au moins les étapes suivantes : - Etape a): séparation d'un gaz d'alimentation de gaz naturel (1), contenant des hydrocarbures et du dioxyde de carbone dans une unité de traitement (2), en un courant gazeux enrichi en CO 2 (4) et un courant de gaz naturel appauvri en CO 2 (3) ; - Etape b) : liquéfaction du courant de gaz naturel appauvri en CO 2 (3) issu de l'étape a) dans une unité de liquéfaction (5) de gaz naturel comprenant au moins un échangeur de chaleur principal (8) et un système de production de frigories (9) ; - Etape c) : liquéfaction simultanée du courant gazeux enrichi en CO 2 (4) issu de l'étape a) dans une unité de liquéfaction de CO 2 (6) ; caractérisé en ce que tout le froid nécessaire à la liquéfaction du courant gazeux enrichi en CO 2 (4) et à la liquéfaction du gaz naturel est fourni par ledit système (9) de production de frigories de l'unité (5) de liquéfaction de gaz naturel.

Description

  • La présente invention concerne un procédé de liquéfaction d'un courant d'hydrocarbures tel que le gaz naturel en particulier dans un procédé pour la production de gaz naturel liquéfié et de CO2 liquide.
  • Sur des usines de liquéfaction de gaz naturel typiques, des courants réfrigérants sont utilisés pour produire le froid à différents niveaux d'un échangeur de chaleur principal en se vaporisant contre le courant d'hydrocarbures à liquéfier (typiquement le gaz naturel).
  • La présente invention concerne en particulier un procédé d'intégration thermique entre une unité de liquéfaction de gaz naturel et unité de purification/liquéfaction de CO2.
  • Il est souhaitable de liquéfier le gaz naturel pour un certain nombre de raisons. A titre d'exemple, le gaz naturel peut être stocké et transporté sur de longues distances plus facilement à l'état liquide que sous forme gazeuse, car il occupe un volume plus petit pour une masse donnée et n'a pas besoin d'être stocké à une pression élevée.
  • Typiquement, le gaz naturel contient des hydrocarbures et du CO2 (0,5% à 5% mol environ). Afin d'éviter le gel de ce dernier au cours de la liquéfaction du gaz naturel, il convient de le retirer. Un moyen permettant de retirer le CO2 du courant de gaz naturel est par exemple un lavage aux amines situé en amont d'un cycle de liquéfaction.
  • Le lavage aux amines sépare le CO2 du gaz d'alimentation par un lavage du courant de gaz naturel par une solution d'amines dans une colonne d'absorption. La solution d'amines enrichie en CO2 est récupérée en cuve de cette colonne d'absorption et est régénérée à basse pression dans une colonne de régénération de l'amine (ou stripping en anglais). En tête de cette colonne de distillation, un gaz acide riche en CO2 est rejeté. Ainsi le courant de gaz naturel par un lavage aux amines rejette un flux concentré en CO2 « gaz acide », le plus souvent directement émis à l'atmosphère.
  • Sur des liquéfacteurs de gaz naturel (50,000 tonnes par an à 10 millions de tonnes par an), la quantité de CO2 émis est suffisante (quantité de CO2 émis pouvant aller jusqu'à 200 tonnes par jour) et il est possible de purifier ce « gaz acide» riche en CO2 en CO2 alimentaire.
  • En effet, dans le domaine alimentaire, conformément à la législation en rigueur, pour pouvoir être commercialisé, le CO2 produit doit répondre à des spécifications strictes en termes de qualité et de pureté. Ainsi, par exemple, toute trace d'hydrocarbures ou de dérivés soufrés doit être éliminée (typiquement teneur inférieure au ppm volumique).
  • Cette purification est effectuée grâce à une unité dédiée de purification de CO2 nécessitant l'installation d'un cycle frigorifique dédié (typiquement un système de réfrigération fonctionnant à l'ammoniac par exemple).
  • La fonction du cycle frigorifique dit « groupe de froid » consiste à apporter le froid nécessaire au procédé de purification/liquéfaction du CO2.
  • Typiquement une unité standard de CO2 contient les étapes suivantes :
    • Etape 1 : Compression du CO2 impur jusqu'à une pression comprise entre 15 et 50 bar abs.
    • Etape 2 : Purification du CO2 par exemple par des procédés mettant en oeuvre des adsorbants régénératifs, des absorbants ou de catalyseur pour éliminer toute présence d'eau, de mercure, d'hydrocarbures et de dérivés soufrés (liste d'impuretés non exhaustive).
    • Etape 3 : Distillation des incondensables pour séparer en particulier l'oxygène et l'azote du CO2 produit.
  • Ainsi, classiquement dans une unité de purification/liquéfaction de CO2, il est nécessaire d'apporter du froid à trois niveaux de température :
    1. 1. Froid vers -20°C/-30°C utilisé pour l'étape 3 décrite au paragraphe précédent.
    2. 2. Froid vers 5°C utilisé pour l'étape 2.
    3. 3. Froid à température ambiante pour refroidir le CO2 impur en étape 1.
  • Le condenseur de la colonne de distillation mise en oeuvre à l'étape 3 représente environ 50% du total des besoins en froid. Ce froid peut être apporté via un cycle frigorifique dédié (typiquement à l'ammoniac ou au propane) couplé éventuellement d'un système de refroidissement à l'eau.
  • Le système de production de frigories représente un coût important de l'unité de purification et de liquéfaction du CO2 et ajoute de la complexité de mise en oeuvre sur le site de mise en oeuvre du procédé ce qui représente une contrainte.
  • Une solution existante consiste à dissocier les deux unités (liquéfaction de gaz naturel et purification de CO2) ce qui nécessite la mise en place de deux systèmes de production de frigories, un pour l'unité de liquéfaction de gaz naturel et un pour l'unité de purification de CO2.
  • Les inventeurs de la présente invention ont alors mis au point une solution permettant de résoudre le problème soulevé ci-dessus, à savoir minimiser l'investissement dans un système de production de frigories dans l'unité de purification/liquéfaction de CO2 et donc d'optimiser les dépenses d'investissement tout en gardant une efficacité optimale pour la liquéfaction du gaz naturel dans l'unité de liquéfaction.
  • La présente invention a pour objet un procédé de production de gaz naturel liquéfié et de dioxyde de carbone (CO2) liquide comprenant au moins les étapes suivantes :
    • Etape a) : séparation d'un gaz d'alimentation de gaz naturel, contenant des hydrocarbures et du dioxyde de carbone dans une unité de traitement, en un courant gazeux enrichi en CO2 et un courant de gaz naturel appauvri en CO2 ;
    • Etape b) : liquéfaction du courant de gaz naturel appauvri en CO2 issu de l'étape a) dans une unité de liquéfaction de gaz naturel comprenant au moins un échangeur de chaleur principal et un système de production de frigories ;
    • Etape c) : liquéfaction simultanée du courant gazeux enrichi en CO2 issu de l'étape a) dans une unité de liquéfaction de CO2 ;
    caractérisé en ce que tout ou partie du froid nécessaire à la liquéfaction du courant gazeux enrichi en CO2 et à la liquéfaction du gaz naturel est fourni par ledit système de production de frigories de l'unité de liquéfaction de gaz naturel.
  • De préférence, tout le froid nécessaire à la liquéfaction du courant gazeux enrichi en CO2 et à la liquéfaction du gaz naturel est fourni par ledit système de production de frigories de l'unité de liquéfaction de gaz naturel.
  • L'objet de la présente invention est de coupler thermiquement une unité de liquéfaction d'un gaz riche en hydrocarbures, typiquement du gaz naturel, avec une unité de purification/liquéfaction de CO2.
  • Par couplage thermique, on entend mise en commun des moyens de production de frigories pour assurer le bilan thermique des deux unités, typiquement compresseur de cycle de réfrigération, et éventuellement un système turbine/surpresseur dans le cas de cycle azote.
  • Par système turbine/surpresseur on entend une turbine mécaniquement couplée (via un arbre commun) à un compresseur mono-étagé.
  • La puissance générée à travers la turbine étant directement transmise au compresseur mono-étagé.
  • Cette intégration thermique se matérialise par la mise en commun toute colonne, échangeur thermique, unité ou autre agencement adapté (typiquement un échangeur thermique) où des courants liés au procédé de liquéfaction de gaz naturel et des courants liés au procédé de purification/liquéfaction du CO2 échangent thermiquement.
  • Le procédé objet de la présente invention permet de se passer du groupe de froid initialement nécessaire pour liquéfier le CO2 et de soutirer le froid directement du liquéfacteur de gaz naturel. Cette intégration thermique permet ainsi de se passer d'un équipement dans l'unité de purification de CO2.
  • L'intégration proposée permet de fournir du froid aux trois niveaux de température nécessaires.
  • Selon d'autres modes de réalisation, l'invention a aussi pour objet :
    • Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le gaz d'alimentation comprend de 0,1% molaire à 5% molaire de CO2.
    • Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le courant gazeux enrichi en CO2 issu de l'étape a) comprend au moins 95% molaire de CO2.
    • Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que préalablement à l'étape b), le courant de gaz naturel issu de l'étape a) est prétraité dans une unité de prétraitement.
  • Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ladite unité de traitement mise en oeuvre à l'étape a) est une unité de lavage aux amines.
  • Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le courant gazeux enrichi en CO2 issu de l'étape a) est purifié préalablement à l'étape c), le froid nécessaire à cette purification étant fourni par ledit système de production de frigories de l'unité de liquéfaction de gaz naturel.
  • Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le courant enrichi en CO2 ainsi purifié comprend au moins 99,5% molaire de CO2.
  • Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ledit système de production de frigories comprend au moins un compresseur et éventuellement un système turbine-surpresseur.
  • Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ladite unité de liquéfaction de gaz naturel comprend au moins un cycle de réfrigération alimenté par un courant réfrigérant contenant au moins un des constituants choisis parmi l'azote, le méthane, l'éthylène, l'éthane, le propane, l'ammoniac, le butane et le pentane.
  • Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le froid nécessaire à la liquéfaction du courant gazeux enrichi en CO2 provient d'un fluide frigorigène préalablement refroidi dans l'échangeur de chaleur de l'unité de liquéfaction de gaz naturel.
  • Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le fluide frigorigène est un fluide d'ammoniac et/ou de propane.
  • La présente invention a également pour objet un dispositif de production de gaz naturel liquéfié et de CO2 liquéfié comprenant une unité de traitement d'un gaz d'alimentation, produisant au moins un courant gazeux enrichi en CO2 et un courant de gaz naturel appauvri en CO2, et une unité de liquéfaction de gaz naturel, ladite unité de liquéfaction de gaz naturel comprenant au moins un échangeur de chaleur principal et un système de production de frigories caractérisé en ce que le système de production de frigories est apte à et conçu pour liquéfier à la fois le courant enrichi en CO2 issu de l'unité de traitement et le courant de gaz naturel circulant dans l'unité de liquéfaction de gaz naturel.
  • Selon d'autres modes de réalisation, l'invention concerne également :
    • Un dispositif tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ledit système de production de frigories comprend au moins un compresseur et éventuellement un système turbine-surpresseur.
  • Un dispositif tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ledit système de production de frigories comprend un cycle frigorifique, comportant un compresseur entraîné par un moteur thermique ou électrique, un circuit de circulation d'un fluide réfrigérant.
  • Un dispositif tel que défini précédemment,caractérisé en ce qu'il comprend une unité de purification et de liquéfaction de gaz enrichi en CO2 comprenant au moins un moyen de compression, un moyen de purification et au moins une colonne de distillation, caractérisé en ce que ledit dispositif est conçu tel que le froid nécessaire pour la mise en oeuvre de l'unité de purification et de liquéfaction de gaz enrichi en CO2 provient d'un fluide frigorigène refroidi dans ledit échangeur de chaleur principal de l'unité de liquéfaction de gaz naturel.
  • Le besoin frigorifique d'une unité de liquéfaction de gaz naturel étant généralement plus important que le besoin frigorifique d'une unité de purification/liquéfaction de CO2, il est pertinent de profiter de la capacité disponible des machines (compresseurs et/ou turbine/surpresseurs) de l'unité de liquéfaction de gaz naturel pour assurer en totalité ou au moins partiellement le besoin frigorifique de l'unité de purification/liquéfaction de CO2 et notamment limiter l'investissement en machinerie de l'unité de purification/liquéfaction de CO2.
  • En particulier, l'investissement incrémental pour augmenter la capacité de liquéfaction d'un liquéfacteur d'hydrocarbures est bien inférieur à l'investissement incrémental pour augmenter la capacité de production liquide d'une unité de purification/liquéfaction de CO2.
  • En outre, d'autres étapes de traitement intermédiaires entre la séparation courant hydrocarbures/CO2 et la liquéfaction des hydrocarbures peuvent être réalisées. Le courant d'hydrocarbures à liquéfier est généralement un flux de gaz naturel obtenu à partir de champs de gaz naturel, des réservoirs de pétrole ou d'un réseau de gaz domestique distribué via des pipelines.
  • Habituellement, le flux de gaz naturel est composé essentiellement de méthane. De préférence, le courant d'alimentation comprend au moins 80% mol de méthane.
  • En fonction de la source, le gaz naturel contient des quantités d'hydrocarbures plus lourds que le méthane, tels que par exemple l'éthane, le propane, le butane et le pentane ainsi que certains hydrocarbures aromatiques. Le flux de gaz naturel contient également des produits non-hydrocarbures tels que H2O, N2, CO2, H2S et d'autres composés soufrés, le mercure et autres.
  • Le flux d'alimentation contenant le gaz naturel est donc prétraité avant d'être l'introduit dans l'échangeur de chaleur. Ce prétraitement comprend la réduction et/ou l'élimination des composants indésirables tels que le CO2 et le H2S, ou d'autres étapes telles que le pré-refroidissement et/ou la mise sous pression. Etant donné que ces mesures sont bien connues de l'homme de l'art, elles ne sont pas davantage détaillées ici.
  • Dans le procédé objet de la présente invention, il est essentiel de prétraiter le courant de gaz naturel afin d'extraire un courant enrichi en CO2 qui sera lui-même liquéfié grâce au système de production de frigories de l'unité de liquéfaction du gaz naturel.
  • L'expression "gaz naturel" telle qu'utilisée dans la présente demande se rapporte à toute composition contenant des hydrocarbures dont au moins du méthane. Cela comprend une composition « brute » (préalablement à tout traitement ou lavage), ainsi que toute composition ayant été partiellement, substantiellement ou entièrement traitée pour la réduction et/ou élimination d'un ou plusieurs composés, y compris, mais sans s'y limiter, le soufre, le dioxyde de carbone, l'eau, le mercure et certains hydrocarbures lourds et aromatiques.
  • L'échangeur de chaleur peut être tout échangeur thermique, toute unité ou autre agencement adapté pour permettre le passage d'un certain nombre de flux, et ainsi permettre un échange de chaleur direct ou indirect entre une ou plusieurs lignes de fluide réfrigérant, et un ou plusieurs flux d'alimentation.
  • L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant à la figure qui illustre le schéma d'un mode de réalisation particulier d'une mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention.
  • Sur la figure, un flux d'alimentation de gaz naturel 1 (par exemple à un débit considéré de 500,000 tonnes par an soit environ 60 tonnes par heures) contenant du CO2 est introduit dans une unité de traitement 2 dans laquelle ledit flux 1 est séparé en au moins deux courants gazeux 3 et 4. Le flux d'alimentation de gaz naturel 1 contient par exemple de 0,1 à 5% molaire de CO2.
  • Le premier courant 3 est un courant de gaz naturel appauvri en CO2. Le deuxième courant 4 est courant enrichi en CO2.
  • L'unité de traitement 2 est une unité qui sépare le CO2 du courant de gaz naturel par exemple une unité d'absorption chimique, en particulier une unité de lavage aux amines (type MDEA, MEA, ...) qui permet de produire du CO2 concentré à basse pression (typiquement légèrement supérieur à la pression atmosphérique). Par CO2 concentré (ou purifié) on entend un courant contenant plus de 95% molaire de CO2 sur une base sèche.
  • Après d'éventuelles étapes de prétraitement pour éliminer toutes traces de mercure, d'eau ou de dérivés soufrés par exemple (unité 7), le courant de gaz naturel 3 appauvri en CO2 est introduit dans l'échangeur principal 8 d'une unité 5 de liquéfaction de gaz naturel afin d'être liquéfié 14. Un courant 10 riche en hydrocarbures lourds est extrait de l'unité de liquéfaction 5 pour éviter tout risque de gel. Ledit courant 10 étant extrait de l'unité de liquéfaction 5 via une colonne de lavage 11. Un courant réfrigérant circule en cycle fermé dans l'échangeur de chaleur 8 afin d'apporter le froid nécessaire pour liquéfier ledit courant 3 de gaz naturel.
  • En particulier, le cycle de liquéfaction 9 met en oeuvre un réfrigérant pouvant être un mélange de réfrigérants choisis parmi typiquement l'azote, le méthane, l'éthane, l'éthylène, le propane, le butane, le pentane. Il peut s'agir d'un cycle basé sur un cycle frigorifique constitué d'un réfrigérant ou d'un mélange de plusieurs réfrigérants.
  • Un courant [non représenté sur la figure]de réfrigérant est introduit dans le système 9 de production de frigories de l'unité de liquéfaction 5 via un compresseur (et éventuellement un via système compresseur/surpresseur).
  • Le deuxième courant gazeux 4 enrichi en CO2 issu de l'unité de traitement 2 est comprimé à moyenne pression (typiquement 25 Bar abs), refroidi, purifié (élimination de toute trace d'H2O Hydrocarbures, dérivés soufrés en particulier) puis renvoyé dans une colonne de distillation (colonne de stripping) qui sépare les incondensables en tête du CO2 liquide concentré 15 récupéré en cuve.
  • Pour assurer le froid nécessaire au bon fonctionnement de l'unité depurification/liquéfaction 6, un fluide frigorigène 13 (typiquement mais pas uniquement de l'ammoniac ou du propane) circule entre l'unité de purification/liquéfaction de CO2 6 et l'unité de liquéfaction de gaz naturel 5 : il entre dans l'échangeur de chaleur 8 à température ambiante, est condensé à une température comprise entre -10°C et -40°C (typiquement pour autour de -20°C/-30°C) pour être renvoyé vers l'unité de purification/liquéfaction du CO2 6.
  • Ainsi grâce à cette intégration thermique, on évite un cycle frigorigène dédié à l'unité 6 de purification/liquéfaction de CO2 en augmentant la puissance du cycle dédié à la liquéfaction du gaz naturel (typiquement de l'ordre de 5%).

Claims (13)

  1. Procédé de production de gaz naturel liquéfié (14) et de dioxyde de carbone (CO2) liquide (15) comprenant au moins les étapes suivantes :
    - Etape a): séparation d'un gaz d'alimentation de gaz naturel (1), contenant des hydrocarbures et du dioxyde de carbone dans une unité de traitement (2), en un courant gazeux enrichi en CO2 (4) et un courant de gaz naturel appauvri en CO2 (3) ;
    - Etape b) : liquéfaction du courant de gaz naturel appauvri en CO2 (3) issu de l'étape a) dans une unité de liquéfaction (5) de gaz naturel comprenant au moins un échangeur de chaleur principal (8) et un système de production de frigories (9) ;
    - Etape c) : liquéfaction simultanée du courant gazeux enrichi en CO2 (4) issu de l'étape a) dans une unité de liquéfaction de CO2 (6) ;
    caractérisé en ce que tout ou partie du froid nécessaire à la liquéfaction du courant gazeux enrichi en CO2 (4) et à la liquéfaction du gaz naturel est fourni par ledit système (9) de production de frigories de l'unité (5) de liquéfaction de gaz naturel ; et caractérisé en ce que le courant gazeux (4) enrichi en CO2 issu de l'étape a) est purifié préalablement à l'étape c), le froid nécessaire à cette purification étant fourni par ledit système de production de frigories de l'unité de liquéfaction (5) de gaz naturel.
  2. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que le gaz d'alimentation (1) comprend de 0,1% molaire à 5% molaire de CO2.
  3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant gazeux (4) enrichi en CO2 issu de l'étape a) comprend au moins 95% molaire de CO2.
  4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que préalablement à l'étape b), le courant (3) de gaz naturel issu de l'étape a) est prétraité dans une unité de prétraitement (7).
  5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite unité de traitement (2) mise en oeuvre à l'étape a) est une unité de lavage aux amines.
  6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le courant enrichi en CO2 ainsi purifié comprend au moins 99,5% molaire de CO2.
  7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit système de production de frigories comprend au moins un compresseur et éventuellement un système turbine-surpresseur.
  8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite unité de liquéfaction de gaz naturel (5) comprend au moins un cycle de réfrigération alimenté par un courant réfrigérant contenant au moins un des constituants choisis parmi l'azote, le méthane, l'éthylène, l'éthane, le propane, l'ammoniac, le butane et le pentane.
  9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le froid nécessaire à la liquéfaction du courant (4) gazeux enrichi en CO2 provient d'un fluide frigorigène préalablement refroidi dans l'échangeur de chaleur (8) de l'unité de liquéfaction (5) de gaz naturel.
  10. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que le fluide frigorigène est un fluide d'ammoniac et/ou de propane.
  11. Dispositif de production de gaz naturel liquéfié et de CO2 liquéfié comprenant une unité de traitement (2) d'un gaz d'alimentation, produisant au moins un courant gazeux (4) enrichi en CO2 et un courant de gaz naturel appauvri en CO2 (3), et une unité de liquéfaction de gaz naturel (5), ladite unité de liquéfaction de gaz naturel comprenant au moins un échangeur de chaleur principal et un système de production de frigories caractérisé en ce que le système de production de frigories est apte à et conçu pour liquéfier à la fois le courant enrichi en CO2 issu de l'unité de traitement et le courant de gaz naturel circulant dans l'unité de liquéfaction de gaz naturel ; et caractérisé en ce qu'il comprend une unité (6) de purification et de liquéfaction de gaz enrichi en CO2 comprenant au moins un moyen de compression, un moyen de purification et au moins une colonne de distillation, caractérisé en ce que ledit dispositif est conçu tel que le froid nécessaire pour la mise en oeuvre de l'unité (6) de purification et de liquéfaction de gaz enrichi en CO2 provient en partie ou en totalité d'un fluide frigorigène refroidi dans ledit échangeur de chaleur principal de l'unité de liquéfaction de gaz naturel (5).
  12. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit système de production de frigories comprend au moins un compresseur et éventuellement un système turbine-surpresseur.
  13. Dispositif selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que ledit système de production de frigories comprend un cycle frigorifique, comportant un compresseur entraîné par un moteur thermique ou électrique, un circuit de circulation d'un fluide réfrigérant.
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