EP4348137A1 - Device and method for pre-cooling a stream of a target fluid to a temperature less than or equal to 90 k - Google Patents

Device and method for pre-cooling a stream of a target fluid to a temperature less than or equal to 90 k

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EP4348137A1
EP4348137A1 EP22730920.0A EP22730920A EP4348137A1 EP 4348137 A1 EP4348137 A1 EP 4348137A1 EP 22730920 A EP22730920 A EP 22730920A EP 4348137 A1 EP4348137 A1 EP 4348137A1
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EP
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fluid
flow
heat exchanger
cooling
circuit
Prior art date
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Application number
EP22730920.0A
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Florian JALIA
Rémi LINOTTE
Hamza FILALI
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Engie SA
Original Assignee
Engie SA
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Publication date
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    • F25J1/0262—Details of the cold heat exchange system
    • F25J1/0264—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams
    • F25J1/0265—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams comprising cores associated exclusively with the cooling of a refrigerant stream, e.g. for auto-refrigeration or economizer
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    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/0291—Refrigerant compression by combined gas compression and liquid pumping
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    • F25J3/0204—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the feed stream
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    • F25J2210/58—Argon
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    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/14—External refrigeration with work-producing gas expansion loop
    • F25J2270/16—External refrigeration with work-producing gas expansion loop with mutliple gas expansion loops of the same refrigerant

Definitions

  • the present invention relates to a device for cooling a flow of a target fluid to a temperature less than or equal to 90 K and a method for cooling a flow of a target fluid to a temperature less than or equal to 90 K. It applies, for example, to the field of hydrogen liquefaction.
  • a fluid liquefaction process is schematically divided into three major temperature technological blocks: compression, pre-cooling and refrigeration.
  • pre-cooling is, for example, to lower the inlet temperatures situated between 273 K and 320 K of a hydrogen flow of interest and of the fluid used for refrigeration in the following block, down to a so-called pre-cooling temperature between 78 K and 120 K.
  • the cooling step is historically carried out using liquid nitrogen flowing in the opposite direction in a heat exchanger. This nitrogen enters at a temperature of approximately 78 K, exits at ambient temperature and is released into the atmosphere.
  • P1 Such systems are hereinafter referred to as “P1”.
  • P2.3 An improvement of P2.2 can be obtained by setting up a so-called dual closed nitrogen cycle because there are two simultaneous admission pressures in the compressors. Such systems are hereinafter referred to as “P2.3”. Such systems are all alternatives to solution P1 in that they operate in a closed nitrogen cycle, avoiding all of the problems mentioned above.
  • the P2.3 solution is an improvement of the P2.2 and P2.1 solutions allowing to optimize the supply of cold within the exchangers. Nevertheless, these solutions require high investments in equipment, in particular compressors, due to their high nitrogen flow (about 8 tons per day to produce one ton of liquid hydrogen per day).
  • a variant of this solution produces cold in the 90-110K range using a mixed refrigerant composed of nitrogen, methane, ethane and propane.
  • a mixed refrigerant composed of nitrogen, methane, ethane and propane.
  • Such systems are hereinafter referred to as “P3.1”.
  • J-T Joule-Thomson valve
  • a variant provides for a similar cycle, but where turbines replaced the J-T valves.
  • the composition then included nitrogen, Ci to Cs hydrocarbons, ethylene, tetrafluoromethane RM and neon.
  • Such systems are hereinafter referred to as “P3.3”.
  • a variant simplifies the refrigerant mixing cycle to a single expansion stage and five components (N2 and Ci to C4). Such systems are hereinafter referred to as “P3.4”.
  • Another variant implements a refrigerant mixture system with two expansion stages, where the compression is carried out partly using a pump and whose composition is limited to four components (N2, Ci, C2, 1C4) .
  • Such systems are hereinafter referred to as “P3.6”.
  • P3 systems use a mixed refrigerant cycle and optimize the energy efficiency of the cycle compared to previous systems by allowing heat exchange between cold and hot fluids to be adapted thanks to the successive partial evaporations of the various compounds.
  • the variations between these solutions are due to the modification of the compositions, the number of expansion stages and the addition of a compression stage partly provided by a pump.
  • Patent application US 2018 347 897 A discloses a device for pre-cooling a target gas by implementing two separate cooling fluid circuits. However, such a device does not make it possible to pre-cool a gas to a temperature below 90 K.
  • patent application US 2019063 824 discloses a device for pre-cooling a target gas by implementing four separate circuits of cooling fluid and joint liquefaction of natural gas.
  • a device for pre-cooling a target gas by implementing four separate circuits of cooling fluid and joint liquefaction of natural gas.
  • such a device implements a large number of target fluid and cooling fluid circuits.
  • this device is complex and expensive due to the joint use of certain elements, such as expansion turbines, in the cooling circuits.
  • the present invention aims to remedy all or part of these drawbacks.
  • the present invention relates to a device for pre-cooling a flow of a target gas to a temperature less than or equal to 90 K, which comprises:
  • the present invention is distinguished by a pre-cooling which makes it possible to overcome the trade-off between energy efficiency and pre-cooling temperature found in existing solutions.
  • the proposed process is both very energy efficient thanks to the use of a mix of refrigerants and both capable of reaching the coldest temperatures usually reached without risk of crystallization by a pre-cooling circuit in the liquefaction of a target fluid, in particular hydrogen, thanks to the nitrogen loop.
  • the present invention thus makes it possible to significantly reduce the energy consumption of the cooling circuit of the entire process.
  • the present invention makes it possible to avoid the use of an expansion turbine in the circulation circuit of a flow of the third cooling fluid. A simplification of the circuit is therefore achieved, thus reducing the cost of the device.
  • the circuit for circulating a flow of the third cooling fluid comprises at least one stage for expanding the flow of the third fluid, the expansion stage comprising a Joule-Thompson valve, upstream of said at least a heat exchanger.
  • the circulation circuit for the flow of the third fluid is configured so that the third cooling fluid comprises a mixture of liquid and gas downstream of the expansion stage.
  • the circulation circuit for the flow of the third fluid is configured to pass through at least two of the heat exchangers of the group of heat exchangers.
  • the circulation circuit for a flow of the third cooling fluid comprises the stage for expanding the flow of the third fluid between an outlet for the third fluid of a heat exchanger among the two of said heat exchangers and a third fluid inlet of one of the two of said heat exchangers.
  • the circulation circuit for a flow of the third cooling fluid comprises at least one stage of compression of the flow of the third fluid between an outlet for the third fluid of a heat exchanger among the two of said heat exchangers and a third fluid inlet of one of the two of said heat exchangers.
  • the circulation circuit of a flow is a closed circuit for the circulation of a flow of a third cooling fluid.
  • the circulation circuit of a flow is a closed circuit for the circulation of a flow of a third cooling fluid through at least two of said heat exchangers, comprising:
  • the target fluid successively passes through at least a first heat exchanger and a second heat exchanger
  • the closed circulation circuit for the flow of the third cooling fluid also passes through at least the first heat exchanger and the second heat exchanger and
  • At least one compression stage of the closed circulation circuit of the flow of the third cooling fluid is positioned between an outlet for the third fluid of the first heat exchanger and an inlet for the third compressed fluid of the said first heat exchanger.
  • the target fluid successively passes through at least a first heat exchanger and a second heat exchanger
  • At least one expansion stage of the closed circulation circuit of the flow of the third cooling fluid is positioned downstream of the second heat exchanger.
  • the circuit for circulating a flow of a third fluid is an open circuit for circulating a flow of a third cooling fluid through at least one heat exchanger.
  • the open circulation circuit for the flow of the third fluid is configured to pass through at least two of the heat exchangers of the group of heat exchangers.
  • the third coolant flow is a nitrogen flow.
  • the flow of third cooling fluid has a liquefaction temperature at atmospheric pressure that is less than or equal to the liquefaction temperature at atmospheric pressure of the second cooling fluid.
  • the nitrogen flow circulation circuit is configured so that the nitrogen flow is constrained by at least one of the following operating conditions:
  • a target fluid circuit successively passes through a first heat exchanger and a second heat exchanger of the group
  • At least one expansion stage of the closed circulation circuit of the flow of the second cooling fluid is positioned downstream of an outlet for the second fluid of a heat exchanger.
  • a target fluid circuit successively passes through a first heat exchanger and a second heat exchanger of the group
  • At least one compression stage of the closed circulation circuit of the flow of the second cooling fluid is positioned between an outlet for the second fluid of the first heat exchanger and an inlet for the second compressed fluid of the said first heat exchanger.
  • the target fluid successively passes through a first heat exchanger and a second heat exchanger
  • At least one stage of liquid-gas separation of the flow of the second fluid is positioned upstream of the first heat exchanger, at least one of the liquid and gaseous parts being supplied to said first heat exchanger.
  • the separations make it possible to form flows composed mainly of light species vaporizing at low temperature and flows mainly composed of heavy species vaporizing at medium or high temperature (cryogenic reference).
  • the group of heat exchangers includes an intermediate heat exchanger
  • a target fluid circuit successively passes through a first group heat exchanger, the intermediate heat exchanger and a second group heat exchanger, - the closed circulation circuit for the flow of the second cooling fluid also passes through the first heat exchanger, the intermediate heat exchanger and the second heat exchanger and
  • At least one stage of liquid-gas separation of the flow of the second fluid is positioned downstream of the first heat exchanger and upstream of the intermediate heat exchanger, at least one of the liquid and gaseous parts being supplied to said heat exchanger intermediate heat.
  • the device that is the subject of the present invention comprises, downstream of a compression stage of the second cooling fluid:
  • the circulation circuit of the second refrigerant fluid is configured so that the flow of second refrigerant fluid is constrained by at least one of the following operating conditions:
  • the target fluid stream is a hydrogen and/or helium stream.
  • the flow of first refrigerant fluid is a flow comprising at least or consisting of:
  • the flow of second refrigerant fluid is a flow comprising at least or consisting of a mixture of:
  • the flow of second refrigerant fluid consists, in molar percentage, of:
  • the present invention relates to a process for pre-cooling a flow of a target gas to a temperature less than or equal to 90 K, which comprises:
  • the method which is the subject of the present invention has the same advantages as the device which is the subject of the present invention.
  • FIG. 1 schematically represents a first particular embodiment of the device which is the subject of the present invention
  • FIG. 2 schematically represents a second particular embodiment of the device which is the subject of the present invention
  • FIG. 3 schematically represents a third particular embodiment of the device which is the subject of the present invention.
  • FIG. 4 schematically represents a fourth particular embodiment of the device which is the subject of the present invention.
  • FIG. 5 represents, schematically and in the form of a flowchart, a first particular succession of steps of the method which is the subject of the present invention
  • FIG. 6 represents, schematically and in the form of a flowchart, a second succession of particular steps of the method which is the subject of the present invention
  • FIG. 7 represents, schematically and in the form of a flowchart, a third succession of particular steps of the method which is the subject of the present invention.
  • FIG. 8 represents, schematically and in the form of a flowchart, a fourth succession of particular steps of the method which is the subject of the present invention.
  • fluid of a given compound denotes a fluid comprising at least said compound in a major part.
  • major share at least a relative majority.
  • the term “majority share” designates a share corresponding to at least 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% or 99% by volume of the flow.
  • target fluid denotes a gas to be liquefied by the action of one of the variants of the device or of the method which is the subject of the present invention.
  • a gas may correspond, for example, to dihydrogen.
  • target fluid is, for example, configured to initially present a temperature of 298 K.
  • target fluid is, for example, configured to initially present a pressure of 21 bara.
  • first cooling fluid denotes any gas or liquid capable of allowing the device or process to cool the target stream to a temperature less than or equal to 90 K.
  • a first fluid comprises at least or consists, for example:
  • Such a flow of first fluid is, for example, configured to operate in a closed circuit between 298 K and 22 K depending on the circulation in the closed circuit.
  • second cooling fluid denotes any gas or liquid capable of allowing the device or method to cool the target stream to a temperature less than or equal to 90 K and preferably 80 K or 83 K.
  • the second refrigerant circulating for example, in a closed circulation circuit is in liquid or diphasic form, that is to say a liquid-gas mixture, in the majority of the circuit.
  • This second refrigerant has several variants:
  • the second fluid consists of or comprises five compounds:
  • the second fluid consists of four compounds:
  • the second fluid consists of six compounds:
  • third cooling fluid designates any gas or liquid capable of allowing the device or process to cool the target stream to a temperature less than or equal to 90 K.
  • the third cooling fluid has a circulation temperature in a heat exchanger less than 90K.
  • Such a third fluid is, for example, nitrogen or argon.
  • the flow of third cooling fluid has a liquefaction temperature at a predetermined pressure, for example, at atmospheric pressure, less than or equal to the liquefaction temperature at the same predetermined pressure of the second cooling fluid.
  • the flow of third coolant has a dew point less than or equal to the dew point of the second coolant at a predetermined pressure, for example, atmospheric pressure.
  • the flow of third cooling fluid also has a bubble point lower than or equal to the bubble point of the second cooling fluid at a predetermined pressure, for example, at atmospheric pressure.
  • devices of the same type for example compressors or exchangers
  • the interchanges, 106, 107, 108 and 136 can correspond to three distinct stages of a single interchange.
  • This device 100 for cooling a flow 101 of a target fluid to a temperature less than or equal to 90 K comprises: - a group 105 of at least two heat exchangers, 106, 107, 108 and/or 136, between the flow of target fluid, a flow 102 of a first cooling fluid, a flow of a second cooling fluid and/or a flow of a third cooling fluid,
  • the third fluid circulating in the circulation circuit 125 has a circulation temperature in an exchanger of less than 90 K.
  • the third cooling fluid cools the target fluid to a temperature less than or equal to 90 K in such a heat exchanger.
  • the circuit 125 for circulation of a flow of the third cooling fluid does not include an expansion turbine (“turboexpander”, in English).
  • the quantity of cold temperatures produced in the closed circuit 110 of the second circulating refrigerant is sufficient to make it possible to avoid using an expansion turbine circuit 125 for circulating a flow of the third cooling fluid.
  • the closed circulation circuit 110 of the second cooling fluid comprising different stages, is therefore sufficiently energy efficient and thus makes it possible to simplify the circulation circuit 125 of a flow of the third cooling fluid.
  • the presence of an expansion turbine limits the use of the third fluid to specific pressure and temperature ranges, since such a fluid must remain in gaseous form during expansion in order not to damage the turbine.
  • such a limitation is to be avoided in the circuit 125 of the third fluid since the liquid part of the third fluid participates in the intensification of the heat exchanges in one or more exchangers. Moreover, such a liquid part of the third fluid allows effective cooling of the target fluid to a temperature less than or equal to 90 K.
  • the circulation circuit 125 of the flow of the third cooling fluid comprises an expansion stage.
  • Such a circulation circuit 125 of the flow of the third cooling fluid can be closed or open.
  • such an expansion stage does not include an expansion turbine (“turboexpander”).
  • the expansion stage of the circuit 125 for circulating a flow of the third cooling fluid is a Joule-Thompson valve.
  • the flow of the third cooling fluid is two-phase, that is to say that the flow of the third cooling fluid comprises a mixture of liquid and gas, downstream of the expansion stage.
  • Group 105 of at least two exchangers, 106, 107, 108 and/or 136 designates heat exchangers preferably belonging to a group of pre-cooling of the target fluid 101 .
  • the group 105 of exchangers is characterized by the fact that there interact, in at least one exchanger, 106, 107, 108 and/or 136, the flow of target fluid 101, the first cooling fluid 102 and the second cooling fluid. cooling.
  • This group 105 of exchangers can also, in variants, be a place of exchanges between the above-mentioned fluids and a third cooling fluid.
  • the first cooling fluid 102 has a temperature lower than the temperature of the target fluid 101 passing through each said exchanger, 106, 107, 108 and/or 136.
  • each exchanger, 106, 107, 108 and 136, of the group 105 of exchangers is crossed both by the target fluid 101 and by the first cooling fluid 102.
  • the target fluid 101 is crossed both by the target fluid 101 and by the first cooling fluid 102.
  • the first cooling fluid 102 can circulate in co-current and/or in counter-current to each other.
  • the cooling device 100 may also comprise a plurality of additional heat exchangers downstream of the group 105 of heat exchangers. These heat exchangers correspond to the ordinary implementation of the cooling stage of a target fluid liquefaction device 101 .
  • the target fluid 101 initially passes through the group 105 of heat exchangers in a pre-cooling stage then a succession of at least a heat exchanger in a cooling stage.
  • the liquefied target fluid 101 can be evacuated or inserted into a gas-liquid separation stage, the liquid fraction of the target fluid 101 being evacuated and the gaseous fraction of the target fluid 101 being recirculated in at least the one of the exchangers of the pre-cooling or cooling stage.
  • the first refrigerant fluid 102 can pass through all or part of the heat exchangers through which the target fluid 101 passes, whether in the group 105 of exchangers or in at least one exchanger positioned upstream or downstream of said group 105 of exchangers.
  • FIGS. 1 to 4 present a variant in which the first refrigerant fluid 102 passes through all the exchangers through which the target fluid 101 passes.
  • the device 100 comprises a closed circulation circuit for the first fluid
  • the refrigerant fluid 102 passes through the exchangers in a first direction, co-current with the target fluid 101 then counter-current with this target fluid 101 in a second direction.
  • This closed circuit may include intermediate stages of compression, expansion, division or mixing of the flow 102 of the first refrigerant, as shown in Figures 1 to 4.
  • the purpose of the closed circuit 110 for the circulation of a flow of a second cooling fluid is to contribute to the cooling, in at least one exchanger, 106, 107, 108 and/or 136, of the heat of the group 105 of exchangers, of the first refrigerant fluid 102 and/or of the target fluid 101 .
  • the exact architecture of circuit 110 depends on a trade-off between theoretical performance and cycle complexity.
  • the number of exchangers is also linked to the number of separations, just as the number of expansions is linked to the number of separations.
  • a circuit with a single separation is suitable if the composition of the refrigerant is suitable and the risks of crystallization of the heaviest species at low temperature are limited. Similarly, some variants do not implement separation. Such variants further constrain the composition and the lowest attainable temperature.
  • This closed circuit 110 comprises:
  • At least one compression stage, 111 and/or 112, or a compression means 150 is, for example, a turbocharger, a mechanical or reciprocating compressor.
  • At least one stage, 120, 121 and/or 122, of expansion is, for example, a Joule-Tompson valve.
  • this closed circuit 110 is numerous.
  • the closed circuit 110 for the second refrigerant fluid comprises a stage 111 for compressing the second refrigerant fluid at the outlet of a heat exchanger 106.
  • This heat exchanger 106 is preferably the first exchanger through which the target fluid 101 passes in the group 105 of heat exchangers.
  • the closed circuit 110 for the second refrigerant fluid comprises a stage 140 for separating the second refrigerant fluid at the outlet of the compression stage 111.
  • the closed circuit 110 for the second refrigerant fluid comprises a stage 140 for gas-liquid separation of the second refrigerant fluid at the outlet of the compression stage 111.
  • the closed circuit 110 for the second refrigerant fluid comprises a stage 112 for compressing a gaseous part coming from a stage 140 for gas-liquid separation.
  • the closed circuit 110 for the second refrigerant fluid comprises a means 150 for compressing a liquid part coming from a stage 140 of gas-liquid separation.
  • the closed circuit 110 for the second refrigerant fluid comprises a means 155 for mixing a compressed liquid part coming from a compression stage 112 and a compressed gaseous part coming from a means 150 of compression.
  • the closed circuit 110 for the second refrigerant fluid comprises a stage 115 for gas-liquid separation of the flow of second refrigerant coming from a mixing means 155 to form a gaseous part and a liquid part.
  • the liquid part of the flow of second refrigerant coming from the gas-liquid separation stage 115 is supplied to a heat exchanger 106.
  • This heat exchanger 106 is preferably the first exchanger through which the target fluid 101 passes in the group 105 of heat exchangers.
  • the liquid part of the flow of second refrigerant coming from a heat exchanger 106 is supplied to an expansion stage 120 then injected into the exchanger 106 again before be supplied to a stage 111 of compression.
  • the gaseous part of the flow of second refrigerant coming from the gas-liquid separation stage 115 is supplied to a heat exchanger 106.
  • This heat exchanger 106 is preferably the first exchanger through which the target fluid 101 passes in the group 105 of heat exchangers.
  • the flow of second refrigerant from a heat exchanger 106 is supplied to a liquid-gas separation stage 116 to form a gaseous part and a liquid part.
  • the liquid part of the flow of second refrigerant coming from stage 116 of gas-liquid separation is supplied to a heat exchanger 107.
  • This heat exchanger 107 is preferably the second exchanger through which the target fluid 101 passes in the group 105 of heat exchangers.
  • the liquid part of the flow of second refrigerant coming from a heat exchanger 107 is supplied to an expansion stage 121 then injected into the heat exchanger 107 again, then optionally in an exchanger
  • the gaseous part of the flow of second refrigerant from the stage 116 of gas-liquid separation is supplied to an exchanger
  • This heat exchanger 107 is preferably the second exchanger through which the target fluid 101 passes in the group 105 of heat exchangers.
  • the flow of second refrigerant from the heat exchanger 107 is supplied to a third heat exchanger 108.
  • This heat exchanger 108 is preferably the third exchanger through which the target fluid 101 passes in the group 105 of heat exchangers.
  • the flow of second refrigerant from a heat exchanger 108 is supplied to an expansion stage 122 then injected into the heat exchanger 108 again, then optionally into a heat exchanger 107 and/or then in a heat exchanger 106, before being supplied to a stage 111 of compression.
  • the last stage, at the end of the iteration of the diagram, is marked by the absence of separation upstream of the injection into a heat exchanger.
  • the device, 100 or 200 comprises a closed circuit 125 for circulating a flow of a third cooling fluid through at least two of the exchangers, 106 , 107, 108 and/or 136, heat, comprising:
  • a compression stage 130 is positioned at one end of the closed circuit 125, that is to say between an outlet for the third fluid and an inlet for the third fluid of the same heat exchanger 106.
  • the target fluid 101 successively passes through at least a first heat exchanger 106 and a second heat exchanger 108, or preferably the target fluid 101 successively passes through at least a first heat exchanger 106, an intermediate heat exchanger 107 and a second exchanger 108 heat,
  • the closed circuit 125 for circulating the flow of the third cooling fluid also passes through at least the first heat exchanger 106 and the second heat exchanger 108, or preferably at least a first heat exchanger 106, an intermediate heat exchanger 107 and a second heat exchanger 108 and
  • At least one compression stage 130 of the closed circulation circuit of the flow of the third cooling fluid being positioned between an outlet for the third fluid of the first heat exchanger 106 and an inlet for the third compressed fluid of said first heat exchanger 106 .
  • the term "successively" denotes here a direct or indirect sequence of the steps of passing heat exchangers, 106, 107, 108 and/or 136, by the third cooling fluid.
  • At least one compression stage 130 is positioned at the junction between a co-current crossing and a counter-current crossing of the third refrigerant fluid.
  • the target fluid 101 successively passes through at least a first heat exchanger 106 and a second heat exchanger 108, or preferably the target fluid 101 successively passes through at least a first heat exchanger 106, an intermediate heat exchanger 107 and a second exchanger 108 heat,
  • the closed circuit 125 for circulating the flow of the third cooling fluid also passes through the first heat exchanger and the second heat exchanger, or preferably at least a first heat exchanger 106, an intermediate heat exchanger 107 and a second exchanger 108 of heat and
  • At least one stage 135 of expansion of the closed circulation circuit of the flow of the third cooling fluid being positioned downstream of the second exchanger 108 of heat.
  • At least one expansion stage 135 is positioned at the junction between a co-current crossing and a counter-current crossing of the third refrigerant fluid.
  • the device 200 comprises a dedicated heat exchanger 205 between the flow of the third compressed fluid and at least part of the flow of the third fluid coming from the additional heat exchanger 136 .
  • the closed circuit 125 comprises a separator 202 positioned downstream of the compression stage 130 and upstream of the group 105 of heat exchangers, along the path traveled by the third refrigerant fluid.
  • This separator 202 is configured to separate a predetermined or variable part, according to a command issued by an automaton for example. The part thus separated is supplied to the dedicated heat exchanger 205 so as to cool the flow of expanded third refrigerant fluid coming from the expansion stage 135.
  • the third refrigerant from the dedicated heat exchanger 205 is supplied to a mixing means 201, in which said fluid and the part not supplied to the dedicated heat exchanger 205 are mixed.
  • the third refrigerant fluid is supplied to the expansion stage 135.
  • the device, 300 or 400 comprises an open circuit 305 for the circulation of a flow of a third cooling fluid through at least the exchanger 136 of heat.
  • the open circuit 305 for the circulation of the flow of the third fluid is configured to cross at least one of the exchangers, 106, 107, 108 and/or 136, of heat of the group 105 of heat exchangers.
  • the third refrigerant fluid is a flow of nitrogen constrained by at least one of the following operating conditions:
  • the second refrigerant fluid is constrained by at least one of the following operating conditions:
  • the target fluid stream 101 is composed of normal hydrogen (25% para-hydrogen and 75% orthohydrogen) at 21 bara, 298K (25°C) with a mass flow rate of 0.116 kg /s.
  • the stream is first cooled to 90K (-183°C) by three heat exchangers, 106, 107, 108 and 136.
  • the target fluid 101 then enters a first heat exchanger 136, catalytic for example, carrying out the first ortho-para conversion step.
  • the target fluid stream 101 exits the pre-cooling portion at 80K (-193°C) and 48% para-hydrogen.
  • the feed hydrogen reaches 26K (-247°C) and 98% para-hydrogen through five series catalytic heat exchangers (not referenced).
  • the target fluid stream 101 is mixed with boil-off gas (translated as "boil-off gas") from the last stage of liquefaction and enters the last catalytic heat exchanger to reach 22K (- 251 °C).
  • the feed hydrogen is 22K (-251°C), 20 bara and 99% para-hydrogen.
  • the final liquefaction stage is carried out with a Joule-Thompson valve which lowers the pressure to 2 bara.
  • the liquid part of the stream (98%) leaves the liquefier and the remaining gaseous part is liquefied.
  • the advantage of using a catalytic exchanger is to carry out a first stage of the conversion in the pre-cooling circuit to avoid doing it in the cooling circuit.
  • the first refrigerant circuit 102 is a double pressure Claude loop and the refrigerant used is normal hydrogen.
  • the refrigerant is first compressed to 29 bara by a multi-stage compressor (not referenced).
  • the fluid is cooled to 90 K (-183°C) in three heat exchangers, 106, 107, 108 and 136 by exchange against the flow of third refrigerant, then cooled to 80 K (-193°C) in the exchanger 136 by exchange against the flow of third refrigerant fluid.
  • the first refrigerant then enters the cooling section and is cooled to 69 K (-204°C) in the first cooling heat exchanger (not referenced).
  • the refrigerant is separated, 89% of the total flow is expanded to 18.5 bara and reaches 60K (-213°C).
  • the first refrigerant is then cooled to 51 K (-222°C) in a heat exchanger (not referenced) and is again expanded with a two-stage expander at 4.5 bara to reach 31.5K (-241. 5°C). From this point, the first refrigerant is used as refrigerant in the first four cooling heat exchangers (not referenced). The remaining part (11%) is cooled to 26K through four heat exchangers (not referenced).
  • This part is then relaxed with a Joule-Thompson valve at 1.5 bara to reach 22K.
  • the liquid refrigerant cools the target fluid 101 to 22K in two two-phase heat exchangers (not referenced) and seven multi-flow heat exchangers, including the group 105 of heat exchangers and the exchanger 136.
  • the two flows of refrigerant at 4.5 and 1.5 bara come out of the pre-cooling part at room temperature.
  • the low pressure one is compressed to 4.5 bara in a first compressor (not referenced). It is then mixed with the medium pressure stream before entering the second compression stage (not referenced).
  • the third coolant cools the target fluid 101 from 90 K (-183°C) to 80 K (-193°C).
  • the nitrogen is first compressed from 1 bara to 40 bara by a multi-stage compressor 130.
  • the nitrogen is then cooled to 90 K (-183°C) in three heat exchangers, 106, 107, 108 and 136
  • the nitrogen is then partially liquefied using a Joule-Thompson valve to reach 78 K (-195°C) and the nitrogen operates in heat exchanger 106 as the main refrigerant.
  • the remaining cold nitrogen power is used in the pre-cooling heat exchangers, 106, 107, 108 and 136.
  • the second refrigerant fluid comprises a mixture of five components whose molar percentages, relative to the total quantity of material of the mixture of the five components, are as follows: R728 (nitrogen), between 4 and 14%, R50 ( methane) between 26.4 and 40%, R1150 (ethylene) between 14.9 and 36.4%, R290 (propane) between 21.5 and 35% and R600 (butane) between 14.8 and 25%.
  • R728 nitrogen
  • R50 methane
  • R1150 ethylene
  • R290 propane
  • R600 butane
  • the second refrigerant fluid is first compressed from 1 bara to 11 bara by a compression stage 111.
  • a liquid fraction appears (approximately 10%) after the intermediate cooling to room temperature, the phases are separated and the part gas completes its compression in a compressor 112 while the liquid part completes it in a pump 150.
  • the use of a pump allows a reduction in the compression power and therefore a reduction in the energy consumption of the installation.
  • the compressed streams are then mixed and the phases are separated again.
  • the liquid part (30%) is cooled to 182K (-91°C) in the first heat exchanger 106 and expanded with a Joule-Thompson valve to 1 bara.
  • the gaseous part (80%) is cooled to 182K (-91°C) in the first heat exchanger 106 and the phases are separated once more.
  • the liquid part (73%) is cooled to 115K (-158°C) in the intermediate heat exchanger 107 and expanded to 1 bara with a Joule-Thompson valve.
  • the gaseous part (27%) is cooled to 90K (-183°C) in two heat exchangers, 107 and 108, before being expanded in a Joule-Thompson valve at 1 bara and supplying its cold power in the heat exchanger 108.
  • the two previous streams are mixed and provide cold power in the heat exchanger 107.
  • the two remaining streams are mixed, supply cold power in the first heat exchanger 106 and are supplied to the compression stage 111.
  • This process 500 for cooling a flow of a target fluid to a temperature less than or equal to 90 K comprises:
  • FIG. 6 schematically, a particular succession of steps of the sub-process 600 object of the present invention.
  • This sub-process 600 describes a particular embodiment of the interactions of the first refrigerant fluid with other components of a device, 100, 200, 300 or 400, object of the present invention.
  • This sub-process 600 comprises:
  • step 640 of cooling the flow of first coolant at low pressure in a set of cooling exchangers, a step 645 of expanding the flow of first coolant at low pressure,
  • FIG. 7 schematically, a particular succession of steps of the sub-process 700 object of the present invention.
  • This sub-process 700 describes a particular embodiment of the interactions of third refrigerant fluid with other components of a device, 100, 200, 300 or 400, object of the present invention.
  • step 725 of circulation of the third refrigerant fluid until step 705 of compression is a step 725 of circulation of the third refrigerant fluid until step 705 of compression.
  • step 720 is performed only in exchanger 136.
  • FIG. 8 schematically shows a succession of particular steps of the sub-process 800 which is the subject of the present invention.
  • This sub-method 800 describes an embodiment particular second coolant interactions with other components of a device, 100, 200, 300 or 400, object of the present invention.
  • This sub-process 800 comprises:
  • step 865 for separating the second refrigerant fluid from the cooling step 860 into a liquid part and a solid part

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Abstract

The device (100) for pre-cooling a stream (101) of a target gas to a temperature less than or equal to 90 K has: - a group (105) of at least two heat exchangers (106, 107, 108, 136) for exchanging heat between the stream of target gas, a stream (102) of a first cooling fluid and at least one stream chosen from a stream of a second cooling fluid and a stream of a third cooling fluid, - a closed circuit (110) for circulation of a stream of a second cooling fluid, said fluid comprising at least methane, said circuit having: - at least one compression stage (111, 112), - at least one liquid-gas separation stage (115, 116), and - at least one expansion stage (120, 121, 122), and - a circuit (125) for circulation of a stream of the third cooling fluid through at least one of the heat exchangers.

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE DE PRE-REFROIDISSEMENT D'UN FLUX D'UN FLUIDE CIBLE A UNE TEMPERATURE INFERIEURE OU EGALE A 90 K DEVICE AND METHOD FOR PRE-COOLING A FLOW OF A TARGET FLUID TO A TEMPERATURE LESS THAN OR EQUAL TO 90 K
Domaine technique de l’invention Technical field of the invention
La présente invention vise un dispositif de refroidissement d’un flux d’un fluide cible à une température inférieure ou égale à 90 K et un procédé de refroidissement d’un flux d’un fluide cible à une température inférieure ou égale à 90 K. Elle s’applique, par exemple, au domaine de la liquéfaction de l’hydrogène. The present invention relates to a device for cooling a flow of a target fluid to a temperature less than or equal to 90 K and a method for cooling a flow of a target fluid to a temperature less than or equal to 90 K. It applies, for example, to the field of hydrogen liquefaction.
État de la technique State of the art
Un procédé de liquéfaction d’un fluide se divise schématiquement en trois grands blocs technologiques de température : la compression, le pré-refroidissement (« pre-cooling », en anglais) et la réfrigération. Le pré-refroidissement a, par exemple, pour but de baisser les températures d'entrée situées entre 273 K et 320 K d’un flux d'hydrogène d'intérêt et du fluide servant à la réfrigération dans le bloc suivant, jusqu'à une température dite de pré-refroidissement située entre 78 K et 120 K. A fluid liquefaction process is schematically divided into three major temperature technological blocks: compression, pre-cooling and refrigeration. The purpose of pre-cooling is, for example, to lower the inlet temperatures situated between 273 K and 320 K of a hydrogen flow of interest and of the fluid used for refrigeration in the following block, down to a so-called pre-cooling temperature between 78 K and 120 K.
Dans des systèmes connus, l’étape de refroidissement est historiquement réalisée à l'aide d'azote liquide s'écoulant à contre-sens dans un échangeur de chaleur. Cet azote entre à une température de 78 K environ, sort à température ambiante et est rejeté dans l'atmosphère. De tels systèmes sont ci-après surnommés « P1 ». In known systems, the cooling step is historically carried out using liquid nitrogen flowing in the opposite direction in a heat exchanger. This nitrogen enters at a temperature of approximately 78 K, exits at ambient temperature and is released into the atmosphere. Such systems are hereinafter referred to as “P1”.
Dans de tels systèmes, la mise en œuvre d’une boucle ouverte d'azote liquide présente les inconvénients d'impliquer une gestion logistique de son approvisionnement, le stockage en grande quantité d’azote et de présenter des performances énergétiques peu élevées (environ de 3,5 à 4,5 kWh/kg LH2). Les atouts économiques et pratiques de ces systèmes sont justifiés dans le cadre de petites productions inférieures à 5 tonnes par jour, mais ne sont pas viables ou opérationnellement complexes au-delà. Enfin, ces systèmes ne conviennent pas aux productions situées dans des zones isolées et difficiles d'accès en raison de la nécessité de créer une chaîne d'approvisionnement en azote liquide. In such systems, the implementation of an open loop of liquid nitrogen has the disadvantages of involving a logistical management of its supply, the storage of large quantities of nitrogen and of presenting low energy performance (about 3.5 to 4.5 kWh/kg LH2). The economic and practical advantages of these systems are justified in the context of small productions of less than 5 tons per day, but are not viable or operationally complex beyond that. Finally, these systems are not suitable for productions located in isolated and difficult to access areas due to the need to create a liquid nitrogen supply chain.
D’autres systèmes connus s'attachent à recycler l'azote dans un cycle (ou circuit) fermé. De tels systèmes sont ci-après surnommés « P2 ». Other known systems attempt to recycle nitrogen in a closed cycle (or circuit). Such systems are hereinafter referred to as "P2".
Ceci est réalisé par une série de compressions et de refroidissements avec une détente finale permettant de diminuer la température de l’azote jusqu'à environ 80 K. À l'aide d'échangeurs de chaleur, les fluides à refroidir sont amenés à environ 80 K également. De tels systèmes sont ci-après surnommés « P2.1 ». This is achieved by a series of compressions and coolings with a final expansion allowing the temperature of the nitrogen to be reduced to about 80 K. Using heat exchangers, the fluids to be cooled are brought to about 80 K also. Such systems are hereinafter referred to as “P2.1”.
Une amélioration de cette boucle effectue plusieurs détentes au cours du refroidissement permettant d'optimiser l'apport de froid au sein des échangeurs. De tels systèmes sont ci-après surnommés « P2.2 ». An improvement of this loop performs several expansions during the cooling allowing to optimize the supply of cold within the exchangers. Such systems are hereinafter referred to as “P2.2”.
Une amélioration de P2.2 peut être obtenue par la mise en place d'un cycle d'azote fermé dit dual car il existe deux pressions d’admission simultanées dans les compresseurs. De tels systèmes sont ci-après surnommés « P2.3 ». De tels systèmes sont tous des alternatives de la solution P1 en ce qu'elles opèrent en cycle fermé d’azote, évitant l'ensemble des problématiques citées précédemment. La solution P2.3 est une amélioration des solutions P2.2 et P2.1 permettant d'optimiser l'apport de froid au sein des échangeurs. Néanmoins, ces solutions nécessitent des investissements élevés en équipements, notamment les compresseurs, en raison de leur débit élevé d'azote (environ 8 tonnes par jour pour produire une tonne d'hydrogène liquide par jour). An improvement of P2.2 can be obtained by setting up a so-called dual closed nitrogen cycle because there are two simultaneous admission pressures in the compressors. Such systems are hereinafter referred to as “P2.3”. Such systems are all alternatives to solution P1 in that they operate in a closed nitrogen cycle, avoiding all of the problems mentioned above. The P2.3 solution is an improvement of the P2.2 and P2.1 solutions allowing to optimize the supply of cold within the exchangers. Nevertheless, these solutions require high investments in equipment, in particular compressors, due to their high nitrogen flow (about 8 tons per day to produce one ton of liquid hydrogen per day).
D’autres systèmes connus sous la dénomination de "MRC" (pour « Mixed-Refrigerant Cycle », traduit pour cycles à réfrigérant-mixte) utilisent comme réfrigérant un mélange d'hydrocarbures et d'azote dont la composition varie selon les solutions. Par le même principe opératoire de compression, refroidissement, détente, le réfrigérant est refroidi jusqu'à environ 90 à 130 K. À l'aide d’échangeurs de chaleur, les fluides à refroidir sont amenés à environ 90 à 130 K également. De tels systèmes sont ci- après surnommés « P3 ». Other systems known under the name of "MRC" (for "Mixed-Refrigerant Cycle", translated for mixed-refrigerant cycles) use as refrigerant a mixture of hydrocarbons and nitrogen whose composition varies according to the solutions. By the same operating principle of compression, cooling, expansion, the refrigerant is cooled down to approximately 90 to 130 K. Using heat exchangers, the fluids to be cooled are brought to approximately 90 to 130 K as well. Such systems are hereinafter referred to as “P3”.
Une variante de cette solution produit du froid dans l’intervalle 90-110K à l’aide d’un réfrigérant mixte composé d’azote, de méthane, d’éthane et de propane. De tels systèmes sont ci-après surnommés « P3.1 ». A variant of this solution produces cold in the 90-110K range using a mixed refrigerant composed of nitrogen, methane, ethane and propane. Such systems are hereinafter referred to as “P3.1”.
Une variante de cette solution applique le concept à la liquéfaction de l’hydrogène avec un pré refroidissement à trois étages de détente réalisée au travers de vanne de Joule-Thomson (dites « J- T »). De tels systèmes sont ci-après surnommés « P3.2 ». A variant of this solution applies the concept to the liquefaction of hydrogen with pre-cooling with three expansion stages carried out through a Joule-Thomson valve (known as “J-T”). Such systems are hereinafter referred to as “P3.2”.
Une variante prévoit un cycle similaire, mais où des turbines venaient remplacer les vannes J- T. Par ailleurs, la composition incluait alors l’azote, les hydrocarbures Ci à Cs, l’éthylène, du tétrafluorométhane RM et le néon. De tels systèmes sont ci-après surnommés « P3.3 ». A variant provides for a similar cycle, but where turbines replaced the J-T valves. In addition, the composition then included nitrogen, Ci to Cs hydrocarbons, ethylene, tetrafluoromethane RM and neon. Such systems are hereinafter referred to as “P3.3”.
Une variante simplifie le cycle de mélange réfrigérant à un seul étage de détente et cinq composants (N2 et Ci à C4). De tels systèmes sont ci-après surnommés « P3.4 ». A variant simplifies the refrigerant mixing cycle to a single expansion stage and five components (N2 and Ci to C4). Such systems are hereinafter referred to as “P3.4”.
Une autre variante aboutit également à une composition simplifiée (H2, N2, Ci, C2 et C4) dans un système à trois étages de détente et ajoute un étage de compression effectuée en partie par une pompe. De tels systèmes sont ci-après surnommés « P3.5 ». Another variant also results in a simplified composition (H2, N2, Ci, C2 and C4) in a system with three expansion stages and adds a compression stage carried out in part by a pump. Such systems are hereinafter referred to as “P3.5”.
Une autre variante met en œuvre un système de mélange réfrigérant à deux étages de détente, où la compression est effectuée en partie à l’aide d’une pompe et dont la composition se limite à quatre composants (N2, Ci, C2, 1C4). De tels systèmes sont ci-après surnommés « P3.6 ». Another variant implements a refrigerant mixture system with two expansion stages, where the compression is carried out partly using a pump and whose composition is limited to four components (N2, Ci, C2, 1C4) . Such systems are hereinafter referred to as “P3.6”.
Ces systèmes P3 recourent à un cycle réfrigérant mixte et optimisent l'efficacité énergétique du cycle par rapport aux précédents systèmes en permettant d’adapter les échanges de chaleur entre fluides froids et chauds grâce aux évaporations partielles successives des différents composés. Les variations entre ces solutions tiennent à la modification des compositions, du nombre d’étages de détente et l’ajout d’un étage de compression en partie assurée par une pompe. These P3 systems use a mixed refrigerant cycle and optimize the energy efficiency of the cycle compared to previous systems by allowing heat exchange between cold and hot fluids to be adapted thanks to the successive partial evaporations of the various compounds. The variations between these solutions are due to the modification of the compositions, the number of expansion stages and the addition of a compression stage partly provided by a pump.
Cependant, les pré-refroidissements utilisant un réfrigérant mixte décrits précédemment permettent de refroidir le fluide cible jusqu’à une température limitée à environ 90K sans risque de cristallisation. Cette limite impose au cycle de refroidissement de réaliser le refroidissement à une valeur supérieure à 90 K ou à prendre le risque de la cristallisation, augmentant le besoin en puissance de compression de ce dernier par rapport à un cycle utilisant de l’azote pur. On connaît la demande de brevet US 2018 347 897 A qui divulgue un dispositif de pré refroidissement d’un gaz cible par mise en œuvre de deux circuits distincts de fluide de refroidissement. Cependant, un tel dispositif ne permet pas de réaliser un pré-refroidissement d’un gaz à une température inférieure à 90 K. However, the pre-coolings using a mixed refrigerant described previously make it possible to cool the target fluid down to a temperature limited to about 90K without risk of crystallization. This limit imposes on the cooling cycle to carry out the cooling at a value higher than 90 K or to take the risk of crystallization, increasing the need for compression power of the latter compared to a cycle using pure nitrogen. Patent application US 2018 347 897 A is known, which discloses a device for pre-cooling a target gas by implementing two separate cooling fluid circuits. However, such a device does not make it possible to pre-cool a gas to a temperature below 90 K.
On connaît également la demande de brevet US 2019063 824 qui divulgue un dispositif de pré refroidissement d’un gaz cible par mise en œuvre de quatre circuits distincts de fluide de refroidissement et liquéfaction conjointe de gaz naturel. Cependant, un tel dispositif met en œuvre un nombre important de circuits de fluide cible et de fluide de refroidissement. Par ailleurs, ce dispositif est complexe et coûteux de par l’utilisation conjointe de certains éléments, tels que des turbines de détente, dans les circuits de refroidissement. Also known is patent application US 2019063 824 which discloses a device for pre-cooling a target gas by implementing four separate circuits of cooling fluid and joint liquefaction of natural gas. However, such a device implements a large number of target fluid and cooling fluid circuits. Furthermore, this device is complex and expensive due to the joint use of certain elements, such as expansion turbines, in the cooling circuits.
On connaît également la publication scientifique « A novel hydrogen liquéfaction process configuration with combined mixed réfrigérant Systems » d’Asadnia et al qui divulgue un dispositif de pré-refroidissement d’un gaz cible par mise en œuvre de deux circuits distincts de fluide de refroidissement. Cependant, un tel dispositif présente une complexité de par certains éléments, tels que des turbines de détente, utilisées dans les circuits de refroidissement. We are also familiar with the scientific publication “A novel hydrogen liquefaction process configuration with combined mixed refrigerant Systems” by Asadnia et al which discloses a device for pre-cooling a target gas by implementing two separate circuits of cooling fluid. However, such a device presents a complexity due to certain elements, such as expansion turbines, used in the cooling circuits.
Exposé de l’invention Disclosure of Invention
La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients. The present invention aims to remedy all or part of these drawbacks.
À cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif de pré refroidissement d’un flux d’un gaz cible à une température inférieure ou égale à 90 K, qui comporte : To this end, according to a first aspect, the present invention relates to a device for pre-cooling a flow of a target gas to a temperature less than or equal to 90 K, which comprises:
- un groupe d’au moins deux échangeurs de chaleur entre le flux de gaz cible, un flux d’un premier fluide de refroidissement et au moins un flux parmi un flux d’un deuxième fluide de refroidissement et un flux d’un troisième fluide de refroidissement, le gaz cible en aval du groupe d’échangeurs restant sous forme gazeuse, - a group of at least two heat exchangers between the target gas flow, a flow of a first cooling fluid and at least one flow among a flow of a second cooling fluid and a flow of a third fluid cooling, the target gas downstream of the group of exchangers remaining in gaseous form,
- un circuit fermé de circulation d’un flux d’un deuxième fluide de refroidissement, ledit fluide comportant au moins du méthane, ledit circuit comportant : - a closed circulation circuit for a flow of a second cooling fluid, said fluid comprising at least methane, said circuit comprising:
- au moins un étage de compression du flux du deuxième fluide, - at least one compression stage of the flow of the second fluid,
- au moins un étage de séparation liquide-gaz du flux du deuxième fluide pour former une partie liquide et une partie gazeuse, au moins l’une des deux parties étant fournies à au moins un dit échangeur de chaleur et - at least one stage of liquid-gas separation of the flow of the second fluid to form a liquid part and a gaseous part, at least one of the two parts being supplied to at least one said heat exchanger and
- au moins un étage de détente du flux du deuxième fluide et - at least one stage for expanding the flow of the second fluid and
- un circuit de circulation d’un flux du troisième fluide de refroidissement à travers au moins un desdits échangeurs de chaleur, ledit circuit ne comportant pas de turbine de détente, ledit troisième fluide présentant une température de circulation dans ledit échangeur inférieure à 90K, lesdits circuits de circulation de chaque fluide de refroidissement étant distincts. - a circulation circuit for a flow of third cooling fluid through at least one of said heat exchangers, said circuit not comprising an expansion turbine, said third fluid having a circulation temperature in said exchanger of less than 90K, said circulation circuits for each cooling fluid being distinct.
Grâce à ces dispositions, il est possible d’atteindre des températures de pré-refroidissement inférieures à 90K à faible coût énergétique et économique tout en conservant des échanges optimisés accrus entre le mélange réfrigérant et les fluides à refroidir sans risque de cristallisation. Thanks to these provisions, it is possible to reach pre-cooling temperatures below 90K at low energy and economic cost while maintaining increased optimized exchanges between the refrigerant mixture and the fluids to be cooled without risk of crystallization.
La présente invention se distingue par un pré-refroidissement permettant de surmonter le compromis entre efficacité énergétique et température de pré-refroidissement que l’on retrouve dans les solutions existantes. En effet le procédé proposé est à la fois très efficace énergétiquement grâce à l’utilisation d’un mix de réfrigérants et à la fois capable d’atteindre les températures les plus froides usuellement atteintes sans risque de cristallisation par un circuit de pré-refroidissement dans la liquéfaction d’un fluide cible, notamment de l’hydrogène, grâce à la boucle azote. The present invention is distinguished by a pre-cooling which makes it possible to overcome the trade-off between energy efficiency and pre-cooling temperature found in existing solutions. Indeed, the proposed process is both very energy efficient thanks to the use of a mix of refrigerants and both capable of reaching the coldest temperatures usually reached without risk of crystallization by a pre-cooling circuit in the liquefaction of a target fluid, in particular hydrogen, thanks to the nitrogen loop.
La présente invention permet ainsi de réduire significativement la consommation énergétique du circuit de refroidissement du procédé entier. The present invention thus makes it possible to significantly reduce the energy consumption of the cooling circuit of the entire process.
Par ailleurs, la présente invention permet d’éviter l’utilisation d’une turbine de détente dans le circuit de circulation d’un flux du troisième fluide de refroidissement. Une simplification du circuit est donc réalisée, réduisant ainsi le coût du dispositif. Furthermore, the present invention makes it possible to avoid the use of an expansion turbine in the circulation circuit of a flow of the third cooling fluid. A simplification of the circuit is therefore achieved, thus reducing the cost of the device.
Dans des modes de réalisation, le circuit de circulation d’un flux du troisième fluide de refroidissement comporte au moins un étage de détente du flux du troisième fluide, l’étage de détente comportant une vanne de Joule-Thompson, en amont dudit au moins un échangeur thermique. In some embodiments, the circuit for circulating a flow of the third cooling fluid comprises at least one stage for expanding the flow of the third fluid, the expansion stage comprising a Joule-Thompson valve, upstream of said at least a heat exchanger.
Dans des modes de réalisation, le circuit de circulation du flux du troisième fluide est configuré pour que le troisième fluide de refroidissement comporte un mélange de liquide et de gaz en aval de l’étage de détente. In some embodiments, the circulation circuit for the flow of the third fluid is configured so that the third cooling fluid comprises a mixture of liquid and gas downstream of the expansion stage.
Dans des modes de réalisation, le circuit de circulation du flux du troisième fluide est configuré pour traverser au moins deux des échangeurs de chaleur du groupe d’échangeurs de chaleur. In embodiments, the circulation circuit for the flow of the third fluid is configured to pass through at least two of the heat exchangers of the group of heat exchangers.
Dans des modes de réalisation, le circuit de circulation d’un flux du troisième fluide de refroidissement comporte l’étage de détente du flux du troisième fluide entre une sortie pour troisième fluide d’un échangeur de chaleur parmi les deux desdits échangeurs de chaleur et une entrée pour troisième fluide d’un échangeur de chaleur parmi les deux desdits échangeurs de chaleur. In some embodiments, the circulation circuit for a flow of the third cooling fluid comprises the stage for expanding the flow of the third fluid between an outlet for the third fluid of a heat exchanger among the two of said heat exchangers and a third fluid inlet of one of the two of said heat exchangers.
Dans des modes de réalisation, le circuit de circulation d’un flux du troisième fluide de refroidissement comporte au moins un étage de compression du flux du troisième fluide entre une sortie pour troisième fluide d’un échangeur de chaleur parmi les deux desdits échangeurs de chaleur et une entrée pour troisième fluide d’un échangeur de chaleur parmi les deux desdits échangeurs de chaleur. In some embodiments, the circulation circuit for a flow of the third cooling fluid comprises at least one stage of compression of the flow of the third fluid between an outlet for the third fluid of a heat exchanger among the two of said heat exchangers and a third fluid inlet of one of the two of said heat exchangers.
Dans des modes de réalisation, le circuit de circulation d’un flux est un circuit fermé de circulation d’un flux d’un troisième fluide de refroidissement. In embodiments, the circulation circuit of a flow is a closed circuit for the circulation of a flow of a third cooling fluid.
Dans des modes de réalisation, le circuit de circulation d’un flux est un circuit fermé de circulation d’un flux d’un troisième fluide de refroidissement à travers au moins deux desdits échangeurs de chaleur, comportant : In some embodiments, the circulation circuit of a flow is a closed circuit for the circulation of a flow of a third cooling fluid through at least two of said heat exchangers, comprising:
- au moins un étage de compression du flux du troisième fluide entre une sortie pour troisième fluide d’un échangeur de chaleur parmi les deux desdits échangeurs de chaleur et une entrée pour troisième fluide d’un échangeur de chaleur parmi les deux desdits échangeurs de chaleur et - at least one stage of compression of the flow of the third fluid between an outlet for the third fluid of a heat exchanger among the two of said heat exchangers and an inlet for the third fluid of a heat exchanger among the two of said heat exchangers and
- au moins un étage de détente du flux du troisième fluide entre une sortie pour troisième fluide d’un échangeur de chaleur parmi les deux desdits échangeurs de chaleur et une entrée pour troisième fluide d’un échangeur de chaleur parmi les deux desdits échangeurs de chaleur. - at least one third fluid flow expansion stage between an outlet for the third fluid of a heat exchanger among the two of said heat exchangers and an inlet for the third fluid of a heat exchanger among the two of said heat exchangers .
Ces modes de réalisation permettent de former un pré-refroidissement à deux boucles intégrées, optimisant davantage encore le fonctionnement du dispositif. These embodiments make it possible to form a pre-cooling with two integrated loops, further optimizing the operation of the device.
Dans des modes de réalisation : - le fluide cible traverse successivement au moins un premier échangeur de chaleur et un deuxième échangeur de chaleur, In embodiments: - the target fluid successively passes through at least a first heat exchanger and a second heat exchanger,
- le circuit fermé de circulation du flux du troisième fluide de refroidissement traverse également au moins le premier échangeur de chaleur et le deuxième échangeur de chaleur et - the closed circulation circuit for the flow of the third cooling fluid also passes through at least the first heat exchanger and the second heat exchanger and
- au moins un étage de compression du circuit fermé de circulation du flux du troisième fluide de refroidissement est positionné entre une sortie pour troisième fluide du premier échangeur de chaleur et une entrée pour troisième fluide comprimé dudit premier échangeur de chaleur. - At least one compression stage of the closed circulation circuit of the flow of the third cooling fluid is positioned between an outlet for the third fluid of the first heat exchanger and an inlet for the third compressed fluid of the said first heat exchanger.
Ces modes de réalisation permettent de conditionner, en pression, le troisième fluide réfrigérant en amont de l’injection de ce fluide dans le groupe d’échangeurs réalisant le pré-refroidissement du fluide cible. These embodiments make it possible to condition, in pressure, the third refrigerant fluid upstream of the injection of this fluid into the group of exchangers carrying out the pre-cooling of the target fluid.
Dans des modes de réalisation : In embodiments:
- le fluide cible traverse successivement au moins un premier échangeur de chaleur et un deuxième échangeur de chaleur, - the target fluid successively passes through at least a first heat exchanger and a second heat exchanger,
- le circuit fermé de circulation du flux du troisième fluide de refroidissement traverse également le premier échangeur de chaleur et le deuxième échangeur de chaleur et - the closed circulation circuit for the flow of the third cooling fluid also passes through the first heat exchanger and the second heat exchanger and
- au moins un étage de détente du circuit fermé de circulation du flux du troisième fluide de refroidissement est positionné en aval du deuxième échangeur de chaleur. - at least one expansion stage of the closed circulation circuit of the flow of the third cooling fluid is positioned downstream of the second heat exchanger.
Ces modes de réalisation permettent de régénérer des frigories dans le troisième fluide, en amont notamment d’une traversée inverse du groupe d’échangeurs de chaleur. These embodiments make it possible to regenerate cold temperatures in the third fluid, in particular upstream of a reverse crossing of the group of heat exchangers.
Dans des modes de réalisation, le circuit de circulation d’un flux d’un troisième fluide est un circuit ouvert de circulation d’un flux d’un troisième fluide de refroidissement à travers au moins un échangeur de chaleur. In some embodiments, the circuit for circulating a flow of a third fluid is an open circuit for circulating a flow of a third cooling fluid through at least one heat exchanger.
Ces modes de réalisations permettent de réduire le nombre de canaux d’échangeur et de diminuer la complexité du cycle de réfrigération en cas de circuit ouvert de troisième fluide. These embodiments make it possible to reduce the number of exchanger channels and to reduce the complexity of the refrigeration cycle in the event of an open circuit of the third fluid.
Dans des modes de réalisation, le circuit ouvert de circulation du flux du troisième fluide est configuré pour traverser au moins deux des échangeurs de chaleur du groupe d’échangeurs de chaleur. In embodiments, the open circulation circuit for the flow of the third fluid is configured to pass through at least two of the heat exchangers of the group of heat exchangers.
Ces modes de réalisations permettent de réduire le nombre de canaux d’échangeur et de diminuer la complexité du cycle de réfrigération en cas de circuit ouvert de troisième fluide. These embodiments make it possible to reduce the number of exchanger channels and to reduce the complexity of the refrigeration cycle in the event of an open circuit of the third fluid.
Dans des modes de réalisation, le flux de troisième fluide de refroidissement est un flux d’azote.In embodiments, the third coolant flow is a nitrogen flow.
Dans des modes de réalisation, le flux de troisième fluide de refroidissement présente une température de liquéfaction à pression atmosphérique inférieure ou égale à la température de liquéfaction à pression atmosphérique du deuxième fluide de refroidissement. In embodiments, the flow of third cooling fluid has a liquefaction temperature at atmospheric pressure that is less than or equal to the liquefaction temperature at atmospheric pressure of the second cooling fluid.
Dans des modes de réalisation, le circuit de circulation du flux d’azote est configuré pour que le flux d’azote soit contraint par au moins l’une des conditions opératoires suivantes : In embodiments, the nitrogen flow circulation circuit is configured so that the nitrogen flow is constrained by at least one of the following operating conditions:
- une pression haute comprise entre 22 et 100 bara, - a high pressure between 22 and 100 bara,
- une pression basse comprise entre 1 et 2,2 bara, - a low pressure between 1 and 2.2 bara,
- un ratio massique d’azote sur fluide cible compris entre 1 et 8 et/ou - a mass ratio of nitrogen to target fluid between 1 and 8 and/or
- une température en entrée dans au moins un échangeur de chaleur comprise entre 78 K et- an inlet temperature in at least one heat exchanger of between 78 K and
88 K. 88k.
Ces conditions opératoires présentent les meilleurs rendements de pré-refroidissement. Dans des modes de réalisation : These operating conditions have the best pre-cooling yields. In embodiments:
- un circuit de fluide cible traverse successivement un premier échangeur de chaleur et un deuxième échangeur de chaleur du groupe, - a target fluid circuit successively passes through a first heat exchanger and a second heat exchanger of the group,
- le circuit fermé de circulation du flux du deuxième fluide de refroidissement traverse également le premier échangeur de chaleur et le deuxième échangeur de chaleur et- the closed circulation circuit for the flow of the second cooling fluid also passes through the first heat exchanger and the second heat exchanger and
- au moins un étage de détente du circuit fermé de circulation du flux du deuxième fluide de refroidissement est positionné en aval d’une sortie pour deuxième fluide d’un échangeur de chaleur. - at least one expansion stage of the closed circulation circuit of the flow of the second cooling fluid is positioned downstream of an outlet for the second fluid of a heat exchanger.
Ces modes de réalisation permettent une restauration d’une partie des frigories du deuxième fluide de refroidissement en amont de la traversée à rebours, totale ou partielle, du groupe d’échangeurs de chaleur. These embodiments allow a restoration of part of the negative calories of the second cooling fluid upstream of the reverse crossing, total or partial, of the group of heat exchangers.
Dans des modes de réalisation : In embodiments:
- un circuit de fluide cible traverse successivement un premier échangeur de chaleur et un deuxième échangeur de chaleur du groupe, - a target fluid circuit successively passes through a first heat exchanger and a second heat exchanger of the group,
- le circuit fermé de circulation du flux du deuxième fluide de refroidissement traverse également le premier échangeur de chaleur et le deuxième échangeur de chaleur du groupe et - the closed circulation circuit for the flow of the second cooling fluid also passes through the first heat exchanger and the second heat exchanger of the group and
- au moins un étage de compression du circuit fermé de circulation du flux du deuxième fluide de refroidissement est positionné entre une sortie pour deuxième fluide du premier échangeur de chaleur et une entrée pour deuxième fluide comprimé dudit premier échangeur de chaleur. - At least one compression stage of the closed circulation circuit of the flow of the second cooling fluid is positioned between an outlet for the second fluid of the first heat exchanger and an inlet for the second compressed fluid of the said first heat exchanger.
Ces modes de réalisation permettent de conditionner le deuxième fluide de refroidissement en amont de l’étape de pré-refroidissement. These embodiments make it possible to condition the second cooling fluid upstream of the pre-cooling step.
Dans des modes de réalisation : In embodiments:
- le fluide cible traverse successivement un premier échangeur de chaleur et un deuxième échangeur de chaleur, - the target fluid successively passes through a first heat exchanger and a second heat exchanger,
- le circuit fermé de circulation du flux du deuxième fluide de refroidissement traverse également le premier échangeur de chaleur et le deuxième échangeur de chaleur et - the closed circulation circuit for the flow of the second cooling fluid also passes through the first heat exchanger and the second heat exchanger and
- au moins un étage de séparation liquide-gaz du flux du deuxième fluide est positionné en amont du premier échangeur de chaleur, au moins l’une des parties liquide et gazeuse étant fournies au dit premier échangeur de chaleur. - at least one stage of liquid-gas separation of the flow of the second fluid is positioned upstream of the first heat exchanger, at least one of the liquid and gaseous parts being supplied to said first heat exchanger.
Les séparations permettent de constituer des flux composés majoritairement d’espèces légères se vaporisant à basse température et des flux composés majoritairement d’espèces lourdes se vaporisant à moyenne ou haute température (référentiel cryogénique). The separations make it possible to form flows composed mainly of light species vaporizing at low temperature and flows mainly composed of heavy species vaporizing at medium or high temperature (cryogenic reference).
L’intérêt est multiple : The interest is multiple:
- affiner les paliers de température d’ébullition pour avoir une vaporisation partielle optimisée et- refine the boiling temperature stages to have an optimized partial vaporization and
- diminuer les risques de cristallisation des composés lourds à basse température. - reduce the risk of crystallization of heavy compounds at low temperature.
Dans des modes de réalisation : In embodiments:
- le groupe d’échangeurs de chaleur comporte un échangeur de chaleur intermédiaire,- the group of heat exchangers includes an intermediate heat exchanger,
- un circuit de fluide cible traverse successivement un premier échangeur de chaleur du groupe, l’échangeur de chaleur intermédiaire et un deuxième échangeur de chaleur du groupe, - le circuit fermé de circulation du flux du deuxième fluide de refroidissement traverse également le premier échangeur de chaleur, l’échangeur de chaleur intermédiaire de chaleur et le deuxième échangeur de chaleur et - a target fluid circuit successively passes through a first group heat exchanger, the intermediate heat exchanger and a second group heat exchanger, - the closed circulation circuit for the flow of the second cooling fluid also passes through the first heat exchanger, the intermediate heat exchanger and the second heat exchanger and
- au moins un étage de séparation liquide-gaz du flux du deuxième fluide est positionné en aval du premier échangeur de chaleur et amont de l’échangeur de chaleur intermédiaire, au moins l’une des parties liquide et gazeuse étant fournies au dit échangeur de chaleur intermédiaire. - at least one stage of liquid-gas separation of the flow of the second fluid is positioned downstream of the first heat exchanger and upstream of the intermediate heat exchanger, at least one of the liquid and gaseous parts being supplied to said heat exchanger intermediate heat.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte, en aval d’un étage de compression du deuxième fluide de refroidissement : In some embodiments, the device that is the subject of the present invention comprises, downstream of a compression stage of the second cooling fluid:
- un étage de séparation liquide-gaz du deuxième fluide de refroidissement pour former une partie gaz et une partie liquide, - a liquid-gas separation stage of the second cooling fluid to form a gas part and a liquid part,
- un étage de compression de la partie gazeuse, - a compression stage of the gaseous part,
- un moyen de compression de la partie liquide et - a means of compressing the liquid part and
- un moyen de mélange de la partie gazeuse comprimée et de la partie liquide comprimée.- A means for mixing the compressed gaseous part and the compressed liquid part.
Dans des modes de réalisation, le circuit de circulation du deuxième fluide réfrigérant est configuré pour que le flux de deuxième fluide réfrigérant soit contraint par au moins l’une des conditions opératoires suivantes : In some embodiments, the circulation circuit of the second refrigerant fluid is configured so that the flow of second refrigerant fluid is constrained by at least one of the following operating conditions:
- une pression haute comprise entre 20 et 36 bara, - a high pressure between 20 and 36 bara,
- une pression basse comprise entre 1 et 2 bara, - a low pressure between 1 and 2 bara,
- un ratio massique d’azote sur fluide cible compris entre 17,5 et 28, - a mass ratio of nitrogen to target fluid between 17.5 and 28,
- une température en entrée du groupe d’échangeurs de chaleur comprise entre 86 K et 100 K,- a temperature at the heat exchanger group inlet of between 86 K and 100 K,
- une température en entrée d’un échangeur intermédiaire du groupe d’échangeurs de chaleur comprise entre 166 K et 210 K et/ou - a temperature at the inlet of an intermediate exchanger of the group of heat exchangers between 166 K and 210 K and/or
- une température en entrée d’un deuxième échangeur de chaleur du groupe d’échangeurs de chaleur comprise entre 95 K et 132 K. - a temperature at the inlet of a second heat exchanger of the group of heat exchangers between 95 K and 132 K.
Ces conditions opératoires présentent les meilleurs rendements de pré-refroidissement. These operating conditions have the best pre-cooling yields.
Dans des modes de réalisation, le flux de fluide cible est un flux d’hydrogène et/ou d’hélium.In embodiments, the target fluid stream is a hydrogen and/or helium stream.
Dans des modes de réalisation, le flux de premier fluide réfrigérant est un flux comportant au moins ou constitué : In some embodiments, the flow of first refrigerant fluid is a flow comprising at least or consisting of:
- de dihydrogène, - dihydrogen,
- de néon, d’hélium ou d’un mélange de néon et d’hélium où - neon, helium or a mixture of neon and helium where
- d’un mélange de néon, d’hélium et de dihydrogène. - a mixture of neon, helium and dihydrogen.
Dans des modes de réalisation, le flux de deuxième fluide réfrigérant est un flux comportant au moins ou constitué d’un mélange parmi : In some embodiments, the flow of second refrigerant fluid is a flow comprising at least or consisting of a mixture of:
- un mélange d’azote, de méthane, d’éthylène ou d’éthane, de propane ou de propène et de n- butane ou de i-butane ou de but-1 -ène, - a mixture of nitrogen, methane, ethylene or ethane, propane or propene and n-butane or i-butane or but-1-ene,
- un mélange de méthane, d’éthylène ou d’éthane, de propane ou de propène et de n-butane ou de i-butane ou de but-1 -ène et - a mixture of methane, ethylene or ethane, propane or propene and n-butane or i-butane or but-1-ene and
- un mélange d’azote, de méthane, d’éthylène ou d’éthane, de propane ou de propène, de n- butane ou de i-butane ou de but-1 -ène et de n-pentane ou de i-pentane. Dans des modes de réalisation, le flux de deuxième fluide réfrigérant est constitué, en pourcentage molaire, de : - a mixture of nitrogen, methane, ethylene or ethane, propane or propene, n-butane or i-butane or but-1-ene and n-pentane or i-pentane . In some embodiments, the flow of second refrigerant fluid consists, in molar percentage, of:
- 4% à 14% d’azote, - 4% to 14% nitrogen,
- 26,4% à 40% de méthane, - 26.4% to 40% methane,
- 14.9 % à 36.4 % d’éthylène, - 14.9% to 36.4% ethylene,
- 21 .5 % à 35 % de propane et - 21.5% to 35% propane and
- 14.8 % à 25 % de butane. - 14.8% to 25% butane.
Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de pré-refroidissement d’un flux d’un gaz cible à une température inférieure ou égale à 90 K, qui comporte : According to a second aspect, the present invention relates to a process for pre-cooling a flow of a target gas to a temperature less than or equal to 90 K, which comprises:
- une étape de traversée, par le flux de gaz cible, d’un groupe d’au moins deux échangeurs de chaleur entre le flux de fluide cible, un flux d’un premier fluide de refroidissement et au moins un flux parmi un flux d’un deuxième fluide de refroidissement et un flux d’un troisième fluide de refroidissement,- a step of crossing, by the flow of target gas, a group of at least two heat exchangers between the flow of target fluid, a flow of a first cooling fluid and at least one flow among a flow of a second cooling fluid and a flow of a third cooling fluid,
- une étape de circulation d’un flux d’un troisième fluide de refroidissement à travers au moins un desdits échangeurs de chaleur, ladite étape de circulation ne comportant pas d’étape de détente réalisée par une turbine de détente, ledit troisième fluide présentant une température de circulation dans ledit échangeur inférieure à 90K et - a step of circulation of a flow of a third cooling fluid through at least one of said heat exchangers, said circulation step not comprising an expansion step carried out by an expansion turbine, said third fluid having a circulation temperature in said exchanger lower than 90K and
- une étape de circulation en circuit fermé d’un flux d’un deuxième fluide de refroidissement, ledit fluide comportant au moins du méthane, ladite étape de circulation comportant : - a closed circuit circulation step of a flow of a second cooling fluid, said fluid comprising at least methane, said circulation step comprising:
- au moins une étape de compression du flux du deuxième fluide, - at least one stage of compression of the flow of the second fluid,
- au moins une étape de séparation liquide-gaz du flux du deuxième fluide pour former une partie liquide et une partie gazeuse, au moins l’une des deux parties étant fournies à au moins un dit échangeur de chaleur et - at least one stage of liquid-gas separation of the flow of the second fluid to form a liquid part and a gaseous part, at least one of the two parts being supplied to at least one said heat exchanger and
- au moins une étape de détente du flux du deuxième fluide. - at least one step of expanding the flow of the second fluid.
Le procédé objet de la présente invention présente les mêmes avantages que le dispositif objet de la présente invention. The method which is the subject of the present invention has the same advantages as the device which is the subject of the present invention.
Brève description des figures Brief description of figures
D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du dispositif et du procédé objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels : Other advantages, aims and particular characteristics of the invention will emerge from the non-limiting description which follows of at least one particular embodiment of the device and of the method which are the subject of the present invention, with reference to the appended drawings, in which:
La figure 1 représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention, FIG. 1 schematically represents a first particular embodiment of the device which is the subject of the present invention,
La figure 2 représente, schématiquement, un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention, FIG. 2 schematically represents a second particular embodiment of the device which is the subject of the present invention,
La figure 3 représente, schématiquement, un troisième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention, FIG. 3 schematically represents a third particular embodiment of the device which is the subject of the present invention,
La figure 4 représente, schématiquement, un quatrième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention, FIG. 4 schematically represents a fourth particular embodiment of the device which is the subject of the present invention,
La figure 5 représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une première succession d’étapes particulière du procédé objet de la présente invention, La figure 6 représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une deuxième succession d’étapes particulière du procédé objet de la présente invention, FIG. 5 represents, schematically and in the form of a flowchart, a first particular succession of steps of the method which is the subject of the present invention, FIG. 6 represents, schematically and in the form of a flowchart, a second succession of particular steps of the method which is the subject of the present invention,
La figure 7 représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une troisième succession d’étapes particulière du procédé objet de la présente invention et FIG. 7 represents, schematically and in the form of a flowchart, a third succession of particular steps of the method which is the subject of the present invention and
La figure 8 représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une quatrième succession d’étapes particulière du procédé objet de la présente invention. FIG. 8 represents, schematically and in the form of a flowchart, a fourth succession of particular steps of the method which is the subject of the present invention.
Description des modes de réalisation Description of embodiments
La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse. This description is given on a non-limiting basis, each characteristic of an embodiment being able to be combined with any other characteristic of any other embodiment in an advantageous manner.
On note dès à présent que les figures ne sont pas à l’échelle. Note that the figures are not to scale.
Dans la présente description, on désigne par « fluide » d’un composé donné un fluide comportant au moins ledit composé dans une part majoritaire. On appelle « part majoritaire » au moins une majorité relative. In the present description, the term "fluid" of a given compound denotes a fluid comprising at least said compound in a major part. We call “majority share” at least a relative majority.
Dans des variantes, le terme « part majoritaire » désigne une part correspondant à au moins 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% ou 99% en volume du flux. In variants, the term “majority share” designates a share corresponding to at least 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% or 99% by volume of the flow.
On désigne par « fluide cible » un gaz à liquéfier par l’action d’une des variantes du dispositif ou du procédé objets de la présente invention. Un tel gaz peut correspondre, par exemple, à du dihydrogène. Un tel fluide cible est, par exemple, configuré pour présenter initialement une température de 298 K. Un tel fluide cible est, par exemple, configuré pour présenter initialement une pression de 21 bara. The term "target fluid" denotes a gas to be liquefied by the action of one of the variants of the device or of the method which is the subject of the present invention. Such a gas may correspond, for example, to dihydrogen. Such a target fluid is, for example, configured to initially present a temperature of 298 K. Such a target fluid is, for example, configured to initially present a pressure of 21 bara.
On désigne par « premier fluide de refroidissement » tout gaz ou liquide susceptible de permettre au dispositif ou procédé de refroidir le flux cible à une température inférieure ou égale à 90 K. Un tel premier fluide comporte au moins ou est constitué, par exemple : The term "first cooling fluid" denotes any gas or liquid capable of allowing the device or process to cool the target stream to a temperature less than or equal to 90 K. Such a first fluid comprises at least or consists, for example:
- de dihydrogène, - dihydrogen,
- de néon, de l’hélium ou d’un mélange de néon et d’hélium, - neon, helium or a mixture of neon and helium,
- de néon, de dihydrogène ou d’un mélange de néon et de dihydrogène où - neon, dihydrogen or a mixture of neon and dihydrogen where
- d’un mélange de néon, d’hélium et de dihydrogène. - a mixture of neon, helium and dihydrogen.
Un tel flux de premier fluide est, par exemple, configuré pour opérer en circuit fermé entre 298 K et 22 K au gré de la circulation dans le circuit fermé. Such a flow of first fluid is, for example, configured to operate in a closed circuit between 298 K and 22 K depending on the circulation in the closed circuit.
On désigne par « deuxième fluide de refroidissement » tout gaz ou liquide susceptible de permettre au dispositif ou procédé de refroidir le flux cible à une température inférieure ou égale à 90 K et préférentiellement 80 K ou 83 K. The term "second cooling fluid" denotes any gas or liquid capable of allowing the device or method to cool the target stream to a temperature less than or equal to 90 K and preferably 80 K or 83 K.
Préférentiellement, le deuxième fluide réfrigérant circulant, par exemple, dans un circuit fermé de circulation est sous forme liquide ou diphasique, c’est-à-dire un mélange liquide-gaz, dans la majorité du circuit. Preferably, the second refrigerant circulating, for example, in a closed circulation circuit is in liquid or diphasic form, that is to say a liquid-gas mixture, in the majority of the circuit.
Ce deuxième fluide réfrigérant présente plusieurs variantes : This second refrigerant has several variants:
Dans une première variante, le deuxième fluide est constitué de ou comporte cinq composés :In a first variant, the second fluid consists of or comprises five compounds:
- de l’azote, - du méthane, - nitrogen, - methane,
- de l’éthylène ou de l’éthane, - ethylene or ethane,
- du propane ou du propène et - propane or propene and
- un n-butane ou un i-butane ou un but-1 -ène. - an n-butane or an i-butane or a but-1-ene.
Dans une deuxième variante, le deuxième fluide est constitué de quatre composés : In a second variant, the second fluid consists of four compounds:
- du méthane, - methane,
- de l’éthylène ou de l’éthane, - ethylene or ethane,
- du propane ou du propène et - propane or propene and
- un n-butane ou un i-butane ou un but-1 -ène. - an n-butane or an i-butane or a but-1-ene.
Dans une troisième variante, le deuxième fluide est constitué de six composés : In a third variant, the second fluid consists of six compounds:
- de l’azote, - nitrogen,
- du méthane, - methane,
- de l’éthylène ou de l’éthane, - ethylene or ethane,
- du propane ou du propène, - propane or propene,
- un n-butane ou un i-butane ou un but-1 -ène et - an n-butane or an i-butane or a but-1-ene and
- un n-pentane ou un i-pentane. - an n-pentane or an i-pentane.
On désigne par « troisième fluide de refroidissement » tout gaz ou liquide susceptible de permettre au dispositif ou procédé de refroidir le flux cible à une température inférieure ou égale à 90 K. Autrement dit, le troisième fluide de refroidissement présente une température de circulation dans un échangeur thermique inférieure à 90K. Un tel troisième fluide est, par exemple, de l’azote ou de l’argon. The term “third cooling fluid” designates any gas or liquid capable of allowing the device or process to cool the target stream to a temperature less than or equal to 90 K. In other words, the third cooling fluid has a circulation temperature in a heat exchanger less than 90K. Such a third fluid is, for example, nitrogen or argon.
Dans des modes de réalisation, le flux de troisième fluide de refroidissement présente une température de liquéfaction à une pression prédéterminée, par exemple, à pression atmosphérique, inférieure ou égale à la température de liquéfaction à pression prédéterminée identique du deuxième fluide de refroidissement. In embodiments, the flow of third cooling fluid has a liquefaction temperature at a predetermined pressure, for example, at atmospheric pressure, less than or equal to the liquefaction temperature at the same predetermined pressure of the second cooling fluid.
Dans des modes de réalisation, le flux de troisième fluide de refroidissement présente un point de rosée inférieur ou égal au point de rosée du deuxième fluide de refroidissement à une pression prédéterminée, par exemple, à pression atmosphérique. Préférentiellement, le flux de troisième fluide de refroidissement présente également un point de bulle inférieur ou égal au point de bulle du deuxième fluide de refroidissement à une pression prédéterminée, par exemple, à pression atmosphérique. In embodiments, the flow of third coolant has a dew point less than or equal to the dew point of the second coolant at a predetermined pressure, for example, atmospheric pressure. Preferably, the flow of third cooling fluid also has a bubble point lower than or equal to the bubble point of the second cooling fluid at a predetermined pressure, for example, at atmospheric pressure.
Dans la description ci-dessous, on désigne par « échangeur de chaleur », tout échangeur de chaleur susceptible de convenir aux conditions opératoires permettant l’accomplissement d’un refroidissement inférieur à 90 K du fluide cible. Par exemple, un tel échangeur de chaleur est un échangeur de chaleur à plaques et ailettes à flux multiples. In the description below, the term "heat exchanger" designates any heat exchanger likely to be suitable for the operating conditions allowing the accomplishment of a cooling of less than 90 K of the target fluid. For example, such a heat exchanger is a multi-flow plate and fin heat exchanger.
On note que des dispositifs d’un même type, par exemple compresseurs ou échangeurs, peuvent ne pas être des dispositifs distincts, mais des étages d’un dispositif unique pour tout ou partie des dispositifs d’un type donné. Par exemple, les échangeurs, 106, 107, 108 et 136, peuvent correspondre à trois étages distincts d’un échangeur unique. It should be noted that devices of the same type, for example compressors or exchangers, may not be distinct devices, but stages of a single device for all or part of the devices of a given type. For example, the interchanges, 106, 107, 108 and 136, can correspond to three distinct stages of a single interchange.
On observe, sur la figure 1 , qui n’est pas à l’échelle, une vue schématique d’un mode de réalisation du dispositif 100 objet de la présente invention. Ce dispositif 100 de refroidissement d’un flux 101 d’un fluide cible à une température inférieure ou égale à 90 K, comporte : - un groupe 105 d’au moins deux échangeurs, 106, 107, 108 et/ou 136, de chaleur entre le flux de fluide cible, un flux 102 d’un premier fluide de refroidissement, un flux d’un deuxième fluide de refroidissement et/ou un flux d’un troisième fluide de refroidissement, There is seen in Figure 1, which is not to scale, a schematic view of an embodiment of the device 100 object of the present invention. This device 100 for cooling a flow 101 of a target fluid to a temperature less than or equal to 90 K, comprises: - a group 105 of at least two heat exchangers, 106, 107, 108 and/or 136, between the flow of target fluid, a flow 102 of a first cooling fluid, a flow of a second cooling fluid and/or a flow of a third cooling fluid,
- un circuit 110 fermé de circulation d’un flux d’un deuxième fluide de refroidissement, ledit fluide comportant au moins du méthane, ledit circuit comportant : - a closed circuit 110 for circulation of a flow of a second cooling fluid, said fluid comprising at least methane, said circuit comprising:
- au moins un étage, 111 et/ou 112, de compression du flux du deuxième fluide, - at least one stage, 111 and/or 112, for compressing the flow of the second fluid,
- au moins un étage, 115 et/ou 116, de séparation liquide-gaz du flux du deuxième fluide pour former une partie liquide et une partie gazeuse, au moins l’une des deux parties étant fournies à au moins un dit échangeur de chaleur et - at least one stage, 115 and/or 116, of liquid-gas separation of the flow of the second fluid to form a liquid part and a gaseous part, at least one of the two parts being supplied to at least one said heat exchanger and
- au moins un étage, 120, 121 et/ou 122, de détente du flux du deuxième fluide et - at least one stage, 120, 121 and/or 122, for expanding the flow of the second fluid and
- un circuit 125 de circulation d’un flux du troisième fluide de refroidissement à travers au moins un, voire deux, desdits échangeurs de chaleur. - A circulation circuit 125 of a flow of the third cooling fluid through at least one, or even two, of said heat exchangers.
Dans des modes de réalisation, le troisième fluide circulant dans le circuit 125 de circulation présente une température de circulation dans un échangeur inférieure à 90 K. Autrement dit, dans ces modes de réalisation, le troisième fluide de refroidissement refroidit le fluide cible à une température inférieure ou égale à 90 K dans un tel échangeur thermique. In some embodiments, the third fluid circulating in the circulation circuit 125 has a circulation temperature in an exchanger of less than 90 K. In other words, in these embodiments, the third cooling fluid cools the target fluid to a temperature less than or equal to 90 K in such a heat exchanger.
Dans des modes de réalisation, le circuit 125 de circulation d’un flux du troisième fluide de refroidissement ne comporte pas de turbine de détente (« turboexpander », en anglais). Notamment, la quantité de frigories produites dans le circuit fermé 110 du deuxième fluide réfrigérant de circulation est suffisante pour permettre d’éviter d’utiliser une turbine de détente circuit 125 de circulation d’un flux du troisième fluide de refroidissement. Autrement dit, le circuit de circulation fermé 110 du deuxième fluide réfrigérant, comportant différents étages, est donc suffisamment efficace énergétiquement et permet ainsi de simplifier le circuit 125 de circulation d’un flux du troisième fluide de refroidissement. Par ailleurs la présence d’une turbine de détente limite l’utilisation du troisième fluide à des plages de pression et température spécifiques, puisqu’un tel fluide doit rester sous forme gazeuse au cours de la détente afin de ne pas détériorer la turbine. Préférentiellement une telle limitation est à éviter dans le circuit 125 du troisième fluide puisque la partie liquide du troisième fluide participe à l’intensification des échanges thermiques dans un ou plusieurs échangeurs. De plus, une telle partie liquide du troisième fluide permet un refroidissement efficace du fluide cible à une température inférieure ou égale à 90 K. In some embodiments, the circuit 125 for circulation of a flow of the third cooling fluid does not include an expansion turbine (“turboexpander”, in English). In particular, the quantity of cold temperatures produced in the closed circuit 110 of the second circulating refrigerant is sufficient to make it possible to avoid using an expansion turbine circuit 125 for circulating a flow of the third cooling fluid. In other words, the closed circulation circuit 110 of the second cooling fluid, comprising different stages, is therefore sufficiently energy efficient and thus makes it possible to simplify the circulation circuit 125 of a flow of the third cooling fluid. Furthermore, the presence of an expansion turbine limits the use of the third fluid to specific pressure and temperature ranges, since such a fluid must remain in gaseous form during expansion in order not to damage the turbine. Preferably, such a limitation is to be avoided in the circuit 125 of the third fluid since the liquid part of the third fluid participates in the intensification of the heat exchanges in one or more exchangers. Moreover, such a liquid part of the third fluid allows effective cooling of the target fluid to a temperature less than or equal to 90 K.
Dans des modes de réalisation, le circuit de circulation 125 du flux du troisième fluide de refroidissement comporte un étage de détente. Un tel circuit de circulation 125 du flux du troisième fluide de refroidissement peut être fermé ou ouvert. Préférentiellement, un tel étage de détente ne comporte pas de turbine de détente (« turboexpander », en anglais). In some embodiments, the circulation circuit 125 of the flow of the third cooling fluid comprises an expansion stage. Such a circulation circuit 125 of the flow of the third cooling fluid can be closed or open. Preferably, such an expansion stage does not include an expansion turbine (“turboexpander”).
Dans des modes de réalisation, l’étage de détente du circuit 125 de circulation d’un flux du troisième fluide de refroidissement est une vanne Joule-Thompson. Encore plus préférentiellement, le flux du troisième fluide de refroidissement est diphasique, c’est-à-dire que le flux du troisième fluide de refroidissement comporte un mélange de liquide et de gaz, en aval de l’étage de détente. In some embodiments, the expansion stage of the circuit 125 for circulating a flow of the third cooling fluid is a Joule-Thompson valve. Even more preferentially, the flow of the third cooling fluid is two-phase, that is to say that the flow of the third cooling fluid comprises a mixture of liquid and gas, downstream of the expansion stage.
On désigne par groupe 105 d’au moins deux échangeurs, 106, 107, 108 et/ou 136, de chaleur préférentiellement des échangeurs appartenant à un groupe de pré-refroidissement du fluide cible 101 . Le groupe 105 d’échangeurs est caractérisé par le fait qu’y interagissent, dans au moins un échangeur, 106, 107, 108 et/ou 136, le flux de fluide cible 101 , le premier fluide 102 de refroidissement et le deuxième fluide de refroidissement. Ce groupe 105 d’échangeurs peut également, dans des variantes, être un lieu d’échanges entre les fluides susnommés et un troisième fluide de refroidissement. Group 105 of at least two exchangers, 106, 107, 108 and/or 136, designates heat exchangers preferably belonging to a group of pre-cooling of the target fluid 101 . The group 105 of exchangers is characterized by the fact that there interact, in at least one exchanger, 106, 107, 108 and/or 136, the flow of target fluid 101, the first cooling fluid 102 and the second cooling fluid. cooling. This group 105 of exchangers can also, in variants, be a place of exchanges between the above-mentioned fluids and a third cooling fluid.
Dans au moins un échangeur, 106, 107, 108 et/ou 136, du groupe 105 d’échangeurs, le premier fluide 102 de refroidissement présente une température inférieure à la température du fluide cible 101 traversant chaque dit échangeur, 106, 107, 108 et/ou 136. In at least one exchanger, 106, 107, 108 and/or 136, of the group 105 of exchangers, the first cooling fluid 102 has a temperature lower than the temperature of the target fluid 101 passing through each said exchanger, 106, 107, 108 and/or 136.
Préférentiellement, chaque échangeur, 106, 107, 108 et 136, du groupe 105 d’échangeurs est traversé à la fois par le fluide cible 101 et par le premier fluide 102 de refroidissement. Le fluide ciblePreferably, each exchanger, 106, 107, 108 and 136, of the group 105 of exchangers is crossed both by the target fluid 101 and by the first cooling fluid 102. The target fluid
101 et le premier fluide 102 de refroidissement peuvent circuler à co-courant et/ou à contre-courant l’un de l’autre. 101 and the first cooling fluid 102 can circulate in co-current and/or in counter-current to each other.
Le dispositif 100 de refroidissement peut comporter, de plus, une pluralité d’échangeurs de chaleur supplémentaires en aval du groupe 105 d’échangeurs de chaleur. Ces échangeurs de chaleur correspondent à la mise en œuvre ordinaire de l’étage de refroidissement d’un dispositif de liquéfaction du fluide cible 101 . The cooling device 100 may also comprise a plurality of additional heat exchangers downstream of the group 105 of heat exchangers. These heat exchangers correspond to the ordinary implementation of the cooling stage of a target fluid liquefaction device 101 .
Ainsi, comme on le comprend, dans des modes de réalisations tels que ceux représentés en figures 1 à 4, le fluide cible 101 traverse initialement le groupe 105 d’échangeurs de chaleur dans un étage de pré-refroidissement puis une succession d’au moins un échangeur de chaleur dans un étage de refroidissement. Thus, as is understood, in embodiments such as those represented in FIGS. 1 to 4, the target fluid 101 initially passes through the group 105 of heat exchangers in a pre-cooling stage then a succession of at least a heat exchanger in a cooling stage.
En sortie de ces deux étages, le fluide cible 101 liquéfié peut être évacué ou inséré dans un étage de séparation gaz-liquide, la fraction liquide du fluide cible 101 étant évacuée et la fraction gazeuse du fluide cible 101 étant recirculée dans au moins l’un des échangeurs de l’étage de pré refroidissement ou de refroidissement. At the outlet of these two stages, the liquefied target fluid 101 can be evacuated or inserted into a gas-liquid separation stage, the liquid fraction of the target fluid 101 being evacuated and the gaseous fraction of the target fluid 101 being recirculated in at least the one of the exchangers of the pre-cooling or cooling stage.
Un tel mécanisme est représenté en figures 1 à 4 sans être référencé. Such a mechanism is shown in Figures 1 to 4 without being referenced.
Le premier fluide 102 réfrigérant peut traverser tout ou partie des échangeurs de chaleur traversés par le fluide cible 101 , que ce soit dans le groupe 105 d’échangeurs ou dans au moins un échangeur positionné en amont ou en aval dudit groupe 105 d’échangeurs. The first refrigerant fluid 102 can pass through all or part of the heat exchangers through which the target fluid 101 passes, whether in the group 105 of exchangers or in at least one exchanger positioned upstream or downstream of said group 105 of exchangers.
Les figures 1 à 4 présentent une variante dans laquelle le premier fluide 102 réfrigérant traverse tous les échangeurs traversés par le fluide cible 101 . FIGS. 1 to 4 present a variant in which the first refrigerant fluid 102 passes through all the exchangers through which the target fluid 101 passes.
Préférentiellement, le dispositif 100 comporte un circuit fermé de circulation du premier fluidePreferably, the device 100 comprises a closed circulation circuit for the first fluid
102 réfrigérant dans tout ou partie des échangeurs de chaleur du dispositif, dans le groupe 105 d’échangeurs, en amont et/ou en aval dudit groupe 105 d’échangeurs. Dans ces modes de réalisations, représentés en figure 1 à 4, le fluide réfrigérant 102 traverse les échangeurs dans un premier sens, à co-courant du fluide cible 101 puis à contre-courant de ce fluide cible 101 dans un deuxième sens. 102 refrigerant in all or part of the heat exchangers of the device, in the group 105 of exchangers, upstream and/or downstream of said group 105 of exchangers. In these embodiments, represented in FIGS. 1 to 4, the refrigerant fluid 102 passes through the exchangers in a first direction, co-current with the target fluid 101 then counter-current with this target fluid 101 in a second direction.
Ce circuit fermé peut comporter des étapes intermédiaires de compression, de détente, de division ou de mélange du flux 102 du premier fluide réfrigérant, comme représenté en figures 1 à 4. This closed circuit may include intermediate stages of compression, expansion, division or mixing of the flow 102 of the first refrigerant, as shown in Figures 1 to 4.
Le circuit 110 fermé de circulation d’un flux d’un deuxième fluide de refroidissement a pour objectif de contribuer au refroidissement, dans au moins un échangeur, 106, 107, 108 et/ou 136, de chaleur du groupe 105 d’échangeurs, du premier fluide 102 réfrigérant et/ou du fluide cible 101 . L'architecture exacte du circuit 110 dépend d’un compromis entre performance théorique et complexité du cycle. The purpose of the closed circuit 110 for the circulation of a flow of a second cooling fluid is to contribute to the cooling, in at least one exchanger, 106, 107, 108 and/or 136, of the heat of the group 105 of exchangers, of the first refrigerant fluid 102 and/or of the target fluid 101 . The exact architecture of circuit 110 depends on a trade-off between theoretical performance and cycle complexity.
Le nombre d'échangeurs est d'ailleurs lié au nombre de séparations, tout comme le nombre de détente est lié au nombre de séparations. The number of exchangers is also linked to the number of separations, just as the number of expansions is linked to the number of separations.
Un circuit avec une seule séparation (et donc deux échangeurs et deux détentes) est adapté si la composition du réfrigérant est adaptée et que les risques de cristallisation des espèces les plus lourdes à basse température sont limités. De même, certaines variantes ne mettent pas en œuvre de séparation. De telles variantes contraignent encore davantage la composition et la température la plus basse atteignable. A circuit with a single separation (and therefore two exchangers and two expansions) is suitable if the composition of the refrigerant is suitable and the risks of crystallization of the heaviest species at low temperature are limited. Similarly, some variants do not implement separation. Such variants further constrain the composition and the lowest attainable temperature.
Ces deux variantes détériorent les performances du procédé en augmentant la consommation énergétique, mais simplifient les variantes du dispositif exposées en figures 1 à 4. These two variants deteriorate the performance of the method by increasing the energy consumption, but simplify the variants of the device shown in Figures 1 to 4.
À l'inverse, avec une séparation en plus (donc quatre échangeurs et quatre détentes) diminue la consommation énergétique, mais complexifie le cycle. Conversely, with additional separation (therefore four exchangers and four expansion valves) reduces energy consumption, but complicates the cycle.
Ce circuit 110 fermé comporte : This closed circuit 110 comprises:
- au moins un étage, 111 et/ou 112, de compression du flux du deuxième fluide, - at least one stage, 111 and/or 112, for compressing the flow of the second fluid,
- au moins un étage, 115 et/ou 116, de séparation liquide-gaz du flux du deuxième fluide pour former une partie liquide et une partie gazeuse, au moins l’une des deux parties étant fournies à au moins un dit échangeur de chaleur et - at least one stage, 115 and/or 116, of liquid-gas separation of the flow of the second fluid to form a liquid part and a gaseous part, at least one of the two parts being supplied to at least one said heat exchanger and
- au moins un étage, 120, 121 et/ou 122, de détente du flux du deuxième fluide. - at least one stage, 120, 121 and/or 122, for expanding the flow of the second fluid.
Au moins un étage, 111 et/ou 112, de compression ou un moyen 150 de compression est, par exemple, un turbocompresseur (« turbocompressor », en anglais), un compresseur mécanique ou alternatif. At least one compression stage, 111 and/or 112, or a compression means 150 is, for example, a turbocharger, a mechanical or reciprocating compressor.
Au moins un étage, 115 et/ou 116, de séparation liquide-gaz est, par exemple, une colonne de séparation. At least one stage, 115 and/or 116, of liquid-gas separation is, for example, a separation column.
Au moins un étage, 120, 121 et/ou 122, de détente est, par exemple, une vanne Joule- Tompson. At least one stage, 120, 121 and/or 122, of expansion is, for example, a Joule-Tompson valve.
Comme on le comprend, les modes de réalisation de ce circuit 110 fermé sont nombreux. As can be understood, the embodiments of this closed circuit 110 are numerous.
Dans certains modes de réalisations, tels que celui représenté en figure 1 , le circuit 110 fermé pour deuxième fluide réfrigérant comporte un étage 111 de compression du deuxième fluide réfrigérant en sortie d’un échangeur 106 de chaleur. Cet échangeur 106 de chaleur est, préférentiellement, le premier échangeur parcouru par le fluide cible 101 dans le groupe 105 d’échangeurs de chaleur. In certain embodiments, such as that represented in FIG. 1, the closed circuit 110 for the second refrigerant fluid comprises a stage 111 for compressing the second refrigerant fluid at the outlet of a heat exchanger 106. This heat exchanger 106 is preferably the first exchanger through which the target fluid 101 passes in the group 105 of heat exchangers.
Dans certains modes de réalisations, tels que celui représenté en figure 1 , le circuit 110 fermé pour deuxième fluide réfrigérant comporte un étage 140 de séparation du deuxième fluide réfrigérant en sortie de l’étage 111 de compression. In certain embodiments, such as that represented in FIG. 1, the closed circuit 110 for the second refrigerant fluid comprises a stage 140 for separating the second refrigerant fluid at the outlet of the compression stage 111.
Dans certains modes de réalisations, tels que celui représenté en figure 1 , le circuit 110 fermé pour deuxième fluide réfrigérant comporte un étage 140 de séparation gaz-liquide du deuxième fluide réfrigérant en sortie de l’étage 111 de compression. In certain embodiments, such as that shown in FIG. 1, the closed circuit 110 for the second refrigerant fluid comprises a stage 140 for gas-liquid separation of the second refrigerant fluid at the outlet of the compression stage 111.
Dans certains modes de réalisations, tels que celui représenté en figure 1 , le circuit 110 fermé pour deuxième fluide réfrigérant comporte un étage 112 de compression d’une partie gazeuse issue d’un étage 140 de séparation gaz-liquide. Dans certains modes de réalisations, tels que celui représenté en figure 1 , le circuit 110 fermé pour deuxième fluide réfrigérant comporte un moyen 150 de compression d’une partie liquide issue d’un étage 140 de séparation gaz-liquide. In certain embodiments, such as that represented in FIG. 1, the closed circuit 110 for the second refrigerant fluid comprises a stage 112 for compressing a gaseous part coming from a stage 140 for gas-liquid separation. In certain embodiments, such as that represented in FIG. 1, the closed circuit 110 for the second refrigerant fluid comprises a means 150 for compressing a liquid part coming from a stage 140 of gas-liquid separation.
Dans certains modes de réalisations, tels que celui représenté en figure 1 , le circuit 110 fermé pour deuxième fluide réfrigérant comporte un moyen 155 de mélange d’une partie liquide comprimée issue d’un étage 112 de compression et d’une partie gazeuse comprimée issue d’un moyen 150 de compression. In certain embodiments, such as that represented in FIG. 1, the closed circuit 110 for the second refrigerant fluid comprises a means 155 for mixing a compressed liquid part coming from a compression stage 112 and a compressed gaseous part coming from a means 150 of compression.
Dans certains modes de réalisations, tels que celui représenté en figure 1 , le circuit 110 fermé pour deuxième fluide réfrigérant comporte un étage 115 de séparation gaz-liquide du flux de deuxième réfrigérant issu d’un moyen 155 de mélange pour former une partie gazeuse et une partie liquide. In certain embodiments, such as that represented in FIG. 1, the closed circuit 110 for the second refrigerant fluid comprises a stage 115 for gas-liquid separation of the flow of second refrigerant coming from a mixing means 155 to form a gaseous part and a liquid part.
Dans certains modes de réalisations, tels que celui représenté en figure 1 , la partie liquide du flux de deuxième réfrigérant issue de l’étage 115 de séparation gaz-liquide est fournie à un échangeur 106 de chaleur. Cet échangeur 106 de chaleur est, préférentiellement, le premier échangeur parcouru par le fluide cible 101 dans le groupe 105 d’échangeurs de chaleur. In certain embodiments, such as that represented in FIG. 1, the liquid part of the flow of second refrigerant coming from the gas-liquid separation stage 115 is supplied to a heat exchanger 106. This heat exchanger 106 is preferably the first exchanger through which the target fluid 101 passes in the group 105 of heat exchangers.
Dans certains modes de réalisations, tels que celui représenté en figure 1 , la partie liquide du flux de deuxième réfrigérant issue d’un échangeur 106 de chaleur est fournie à un étage 120 de détente puis injectée dans nouveau dans l’échangeur 106 avant d’être fournie à un étage 111 de compression. In certain embodiments, such as that represented in FIG. 1, the liquid part of the flow of second refrigerant coming from a heat exchanger 106 is supplied to an expansion stage 120 then injected into the exchanger 106 again before be supplied to a stage 111 of compression.
Dans certains modes de réalisations, tels que celui représenté en figure 1 , la partie gazeuse du flux de deuxième réfrigérant issue de l’étage 115 de séparation gaz-liquide est fournie à un échangeur 106 de chaleur. Cet échangeur 106 de chaleur est, préférentiellement, le premier échangeur parcouru par le fluide cible 101 dans le groupe 105 d’échangeurs de chaleur. In certain embodiments, such as that represented in FIG. 1, the gaseous part of the flow of second refrigerant coming from the gas-liquid separation stage 115 is supplied to a heat exchanger 106. This heat exchanger 106 is preferably the first exchanger through which the target fluid 101 passes in the group 105 of heat exchangers.
Dans certains modes de réalisations, tels que celui représenté en figure 1 , le flux de deuxième réfrigérant issu d’un échangeur 106 de chaleur est fourni à un étage 116 de séparation liquide-gaz pour former une partie gazeuse et une partie liquide. In some embodiments, such as that shown in Figure 1, the flow of second refrigerant from a heat exchanger 106 is supplied to a liquid-gas separation stage 116 to form a gaseous part and a liquid part.
Dans certains modes de réalisations, tels que celui représenté en figure 1 , la partie liquide du flux de deuxième réfrigérant issue de l’étage 116 de séparation gaz-liquide est fournie à un échangeur 107 de chaleur. Cet échangeur 107 de chaleur est, préférentiellement, le deuxième échangeur parcouru par le fluide cible 101 dans le groupe 105 d’échangeurs de chaleur. In certain embodiments, such as that represented in FIG. 1, the liquid part of the flow of second refrigerant coming from stage 116 of gas-liquid separation is supplied to a heat exchanger 107. This heat exchanger 107 is preferably the second exchanger through which the target fluid 101 passes in the group 105 of heat exchangers.
Dans certains modes de réalisations, tels que celui représenté en figure 1 , la partie liquide du flux de deuxième réfrigérant issue d’un échangeur 107 de chaleur est fournie à un étage 121 de détente puis injectée dans nouveau dans l’échangeur 107 de chaleur, puis optionnellement dans un échangeurIn certain embodiments, such as that represented in FIG. 1, the liquid part of the flow of second refrigerant coming from a heat exchanger 107 is supplied to an expansion stage 121 then injected into the heat exchanger 107 again, then optionally in an exchanger
106 de chaleur, avant d’être fournie à un étage 111 de compression. 106 of heat, before being supplied to a stage 111 of compression.
Dans certains modes de réalisations, tels que celui représenté en figure 1 , la partie gazeuse du flux de deuxième réfrigérant issue de l’étage 116 de séparation gaz-liquide est fournie à un échangeurIn some embodiments, such as that shown in Figure 1, the gaseous part of the flow of second refrigerant from the stage 116 of gas-liquid separation is supplied to an exchanger
107 de chaleur. Cet échangeur 107 de chaleur est, préférentiellement, le deuxième échangeur parcouru par le fluide cible 101 dans le groupe 105 d’échangeurs de chaleur. 107 heat. This heat exchanger 107 is preferably the second exchanger through which the target fluid 101 passes in the group 105 of heat exchangers.
Dans certains modes de réalisations, tels que celui représenté en figure 1 , le flux de deuxième réfrigérant issu de l’échangeur 107 de chaleur est fourni à un troisième échangeur 108 de chaleur. Cet échangeur 108 de chaleur est, préférentiellement, le troisième échangeur parcouru par le fluide cible 101 dans le groupe 105 d’échangeurs de chaleur. Dans certains modes de réalisations, tels que celui représenté en figure 1 , le flux de deuxième réfrigérant issu d’un échangeur 108 de chaleur est fourni à un étage 122 de détente puis injecté dans nouveau dans l’échangeur 108 de chaleur, puis optionnellement dans un échangeur 107 de chaleur et/ou puis dans un échangeur 106 de chaleur, avant d’être fourni à un étage 111 de compression. In some embodiments, such as that shown in Figure 1, the flow of second refrigerant from the heat exchanger 107 is supplied to a third heat exchanger 108. This heat exchanger 108 is preferably the third exchanger through which the target fluid 101 passes in the group 105 of heat exchangers. In some embodiments, such as that shown in Figure 1, the flow of second refrigerant from a heat exchanger 108 is supplied to an expansion stage 122 then injected into the heat exchanger 108 again, then optionally into a heat exchanger 107 and/or then in a heat exchanger 106, before being supplied to a stage 111 of compression.
Comme on le comprend, le schéma suivant peut être mis en œuvre de manière itérative :As understood, the following scheme can be implemented iteratively:
- séparation gaz liquide du flux de deuxième fluide réfrigérant issu d’un échangeur de chaleur précédent ou d’une itération précédente, - liquid gas separation of the second refrigerant flow from a previous heat exchanger or from a previous iteration,
- injection de la partie liquide dans un échangeur de chaleur traversé par le fluide cible 101 , détente de la partie liquide en sortie de l’échangeur, réinjection dans l’échangeur puis transport, optionnellement à tout ou partie des échangeurs de chaleur précédents, - injection of the liquid part into a heat exchanger through which the target fluid 101 passes, relaxation of the liquid part at the outlet of the exchanger, reinjection into the exchanger then transport, optionally to all or part of the preceding heat exchangers,
- injection de la partie gaz dans un échangeur de chaleur traversé par le fluide cible 101 et injection dans un étage de séparation de l’itération suivante. - injection of the gas part into a heat exchanger through which the target fluid 101 passes and injection into a separation stage of the following iteration.
La dernière étape, en fin d’itération du schéma, est marquée par l’absence de séparation en amont de l’injection dans un échangeur de chaleur. The last stage, at the end of the iteration of the diagram, is marked by the absence of separation upstream of the injection into a heat exchanger.
Dans des modes de réalisation, tel que ceux représentés en figures 1 et 2, le dispositif, 100 ou 200, comporte un circuit 125 fermé de circulation d’un flux d’un troisième fluide de refroidissement à travers au moins deux des échangeurs, 106, 107, 108 et/ou 136, de chaleur, comportant : In embodiments, such as those represented in FIGS. 1 and 2, the device, 100 or 200, comprises a closed circuit 125 for circulating a flow of a third cooling fluid through at least two of the exchangers, 106 , 107, 108 and/or 136, heat, comprising:
- au moins un étage 130 de compression du flux du troisième fluide entre une sortie pour troisième fluide d’un échangeur de chaleur et une entrée pour troisième fluide d’un échangeur de chaleur et - at least one stage 130 of compression of the flow of the third fluid between an outlet for the third fluid of a heat exchanger and an inlet for the third fluid of a heat exchanger and
- au moins un étage 135 de détente du flux du troisième fluide entre une sortie pour troisième fluide d’un échangeur de chaleur et une entrée pour troisième fluide d’un échangeur de chaleur. - at least one stage 135 for expanding the flow of the third fluid between an outlet for the third fluid of a heat exchanger and an inlet for the third fluid of a heat exchanger.
Comme on le comprend, les modalités d’implémentation du circuit 125 fermé sont nombreuses. Ci-après, plusieurs modes de réalisation particuliers sont présentés. As we understand, the modalities of implementation of the closed circuit 125 are numerous. Below, several particular embodiments are presented.
Dans un premier mode de réalisation, représenté en figure 1 , un étage 130 de compression est positionné à une extrémité du circuit 125 fermé, c’est-à-dire entre une sortie pour troisième fluide et une entrée pour troisième fluide d’un même échangeur 106 de chaleur. In a first embodiment, represented in FIG. 1, a compression stage 130 is positioned at one end of the closed circuit 125, that is to say between an outlet for the third fluid and an inlet for the third fluid of the same heat exchanger 106.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 1 et 2 : In embodiments, such as those shown in Figures 1 and 2:
- le fluide cible 101 traverse successivement au moins un premier échangeur 106 de chaleur et un deuxième échangeur 108 de chaleur, ou préférentiellement le fluide cible 101 traverse successivement au moins un premier échangeur 106 de chaleur, un échangeur 107 de chaleur intermédiaire et un deuxième échangeur 108 de chaleur, - the target fluid 101 successively passes through at least a first heat exchanger 106 and a second heat exchanger 108, or preferably the target fluid 101 successively passes through at least a first heat exchanger 106, an intermediate heat exchanger 107 and a second exchanger 108 heat,
- le circuit 125 fermé de circulation du flux du troisième fluide de refroidissement traverse également au moins le premier échangeur 106 de chaleur et le deuxième échangeur 108 de chaleur, ou préférentiellement au moins un premier échangeur 106 de chaleur, un échangeur 107 de chaleur intermédiaire et un deuxième échangeur 108 de chaleur et - the closed circuit 125 for circulating the flow of the third cooling fluid also passes through at least the first heat exchanger 106 and the second heat exchanger 108, or preferably at least a first heat exchanger 106, an intermediate heat exchanger 107 and a second heat exchanger 108 and
- au moins un étage 130 de compression du circuit fermé de circulation du flux du troisième fluide de refroidissement étant positionné entre une sortie pour troisième fluide du premier échangeur 106 de chaleur et une entrée pour troisième fluide comprimé dudit premier échangeur 106 de chaleur. On désigne ici par « successivement » un enchaînement direct ou indirect des étapes de traversées d’échangeurs, 106, 107, 108 et/ou 136, de chaleur par le troisième fluide refroidissant. - At least one compression stage 130 of the closed circulation circuit of the flow of the third cooling fluid being positioned between an outlet for the third fluid of the first heat exchanger 106 and an inlet for the third compressed fluid of said first heat exchanger 106 . The term "successively" denotes here a direct or indirect sequence of the steps of passing heat exchangers, 106, 107, 108 and/or 136, by the third cooling fluid.
Dans ces modes de réalisation, au moins un étage 130 de compression est positionné à la jonction entre une traversée à co-courant et une traversée à contre-courant du troisième fluide réfrigérant. In these embodiments, at least one compression stage 130 is positioned at the junction between a co-current crossing and a counter-current crossing of the third refrigerant fluid.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 1 et 2 : In embodiments, such as those shown in Figures 1 and 2:
- le fluide cible 101 traverse successivement au moins un premier échangeur 106 de chaleur et un deuxième échangeur 108 de chaleur, ou préférentiellement le fluide cible 101 traverse successivement au moins un premier échangeur 106 de chaleur, un échangeur 107 de chaleur intermédiaire et un deuxième échangeur 108 de chaleur, - the target fluid 101 successively passes through at least a first heat exchanger 106 and a second heat exchanger 108, or preferably the target fluid 101 successively passes through at least a first heat exchanger 106, an intermediate heat exchanger 107 and a second exchanger 108 heat,
- le circuit 125 fermé de circulation du flux du troisième fluide de refroidissement traverse également le premier échangeur de chaleur et le deuxième échangeur de chaleur, ou préférentiellement au moins un premier échangeur 106 de chaleur, un échangeur 107 de chaleur intermédiaire et un deuxième échangeur 108 de chaleur et - the closed circuit 125 for circulating the flow of the third cooling fluid also passes through the first heat exchanger and the second heat exchanger, or preferably at least a first heat exchanger 106, an intermediate heat exchanger 107 and a second exchanger 108 of heat and
- au moins un étage 135 de détente du circuit fermé de circulation du flux du troisième fluide de refroidissement étant positionné en aval du deuxième échangeur 108 de chaleur. - At least one stage 135 of expansion of the closed circulation circuit of the flow of the third cooling fluid being positioned downstream of the second exchanger 108 of heat.
Dans ces modes de réalisation, au moins un étage 135 de détente est positionné à la jonction entre une traversée à co-courant et une traversée à contre-courant du troisième fluide réfrigérant. In these embodiments, at least one expansion stage 135 is positioned at the junction between a co-current crossing and a counter-current crossing of the third refrigerant fluid.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 2, le dispositif 200 comporte un échangeur 205 dédié de chaleur entre le flux du troisième fluide comprimé et au moins une partie du flux du troisième fluide issu de l’échangeur 136 supplémentaire de chaleur. In embodiments, such as that represented in FIG. 2, the device 200 comprises a dedicated heat exchanger 205 between the flow of the third compressed fluid and at least part of the flow of the third fluid coming from the additional heat exchanger 136 .
Dans ces modes de réalisation, le circuit 125 fermé comporte un séparateur 202 positionné en aval de l’étage 130 de compression et en amont du groupe 105 d’échangeurs de chaleur, le long du chemin parcouru par le troisième fluide réfrigérant. Ce séparateur 202 est configuré pour séparer une partie prédéterminée ou variable, selon une commande émise par un automate par exemple. La partie ainsi séparée est fournie à l’échangeur de chaleur 205 dédié de sorte à refroidir le flux de troisième fluide réfrigérant détendu issu de l’étage 135 de détente. In these embodiments, the closed circuit 125 comprises a separator 202 positioned downstream of the compression stage 130 and upstream of the group 105 of heat exchangers, along the path traveled by the third refrigerant fluid. This separator 202 is configured to separate a predetermined or variable part, according to a command issued by an automaton for example. The part thus separated is supplied to the dedicated heat exchanger 205 so as to cool the flow of expanded third refrigerant fluid coming from the expansion stage 135.
Le troisième fluide réfrigérant issu de l’échangeur de chaleur 205 dédié est fourni à un moyen 201 de mélange, dans lequel se mixent ledit fluide et la partie non fournie à l’échangeur de chaleur 205 dédié. The third refrigerant from the dedicated heat exchanger 205 is supplied to a mixing means 201, in which said fluid and the part not supplied to the dedicated heat exchanger 205 are mixed.
En sortie du moyen 201 de mélange, le troisième fluide réfrigérant est fourni à l’étage 135 de détente. At the outlet of the mixing means 201, the third refrigerant fluid is supplied to the expansion stage 135.
Dans des modes de réalisations, tels que ceux représentés en figures 3 et 4, le dispositif, 300 ou 400, comporte un circuit 305 ouvert de circulation d’un flux d’un troisième fluide de refroidissement à travers au moins l’échangeur 136 de chaleur. In embodiments, such as those represented in FIGS. 3 and 4, the device, 300 or 400, comprises an open circuit 305 for the circulation of a flow of a third cooling fluid through at least the exchanger 136 of heat.
Dans des modes de réalisations, tels que celui représenté en figure 3, le circuit 305 ouvert de circulation du flux du troisième fluide est configuré pour traverser au moins un des échangeurs, 106, 107, 108 et/ou 136, de chaleur du groupe 105 d’échangeurs de chaleur. Dans des modes de réalisation, préférentiellement adaptés au mode de réalisation représenté en figure 1 , le troisième fluide réfrigérant est un flux d’azote contraint par au moins l’une des conditions opératoires suivantes : In embodiments, such as that represented in FIG. 3, the open circuit 305 for the circulation of the flow of the third fluid is configured to cross at least one of the exchangers, 106, 107, 108 and/or 136, of heat of the group 105 of heat exchangers. In embodiments, preferably adapted to the embodiment represented in FIG. 1, the third refrigerant fluid is a flow of nitrogen constrained by at least one of the following operating conditions:
- une pression haute comprise entre 22 et 100 bara, - a high pressure between 22 and 100 bara,
- une pression basse comprise entre 1 et 2,2 bara, - a low pressure between 1 and 2.2 bara,
- un ratio massique d’azote sur fluide cible compris entre 1 et 8 et/ou - a mass ratio of nitrogen to target fluid between 1 and 8 and/or
- une température en entrée dans au moins un échangeur de chaleur comprise entre 78 K et- an inlet temperature in at least one heat exchanger of between 78 K and
88 K. 88k.
Dans des modes de réalisation, préférentiellement adaptés au mode de réalisation représenté en figure 1 , le deuxième fluide réfrigérant est contraint par au moins l’une des conditions opératoires suivantes : In embodiments, preferably adapted to the embodiment shown in Figure 1, the second refrigerant fluid is constrained by at least one of the following operating conditions:
- une pression haute comprise entre 20 et 36 bara, - a high pressure between 20 and 36 bara,
- une pression basse comprise entre 1 et 2 bara, - a low pressure between 1 and 2 bara,
- un ratio massique d’azote sur fluide cible compris entre 17,5 et 28, - a mass ratio of nitrogen to target fluid between 17.5 and 28,
- une température en entrée du groupe d’échangeurs de chaleur comprise entre 86 K et 100 K,- a temperature at the heat exchanger group inlet of between 86 K and 100 K,
- une température en entrée d’un échangeur intermédiaire du groupe d’échangeurs de chaleur comprise entre 166 K et 210 K et/ou - a temperature at the inlet of an intermediate exchanger of the group of heat exchangers between 166 K and 210 K and/or
- une température en entrée d’un deuxième échangeur de chaleur du groupe d’échangeurs de chaleur comprise entre 95 K et 132 K. - a temperature at the inlet of a second heat exchanger of the group of heat exchangers between 95 K and 132 K.
Par exemple, dans des variantes, le flux de fluide 101 cible est composé d'hydrogène normal (25% de para-hydrogène et 75% d'orthohydrogène) à 21 bara, 298K (25°C) avec un débit massique de 0.116 kg/s. Le flux est d'abord refroidi à 90K (-183°C) par trois échangeurs de chaleur, 106, 107, 108 et 136. Le fluide cible 101 entre ensuite dans un premier échangeur de chaleur 136, catalytique par exemple, réalisant la première étape de la conversion ortho-para. Le flux de fluide cible 101 sort de la partie de pré-refroidissement à 80K (-193°C) et 48% de para-hydrogène. Dans la partie de refroidissement en aval, l'hydrogène d'alimentation atteint 26K (-247°C) et 98% de para-hydrogène à travers cinq échangeurs de chaleur catalytiques en série (non référencés). Le flux de fluide cible 101 est mélangé avec du gaz d’évaporation (traduit par « boil-off gas », en anglais) provenant de la dernière étape de la liquéfaction et entre dans le dernier échangeur de chaleur catalytique pour atteindre 22K (- 251 °C). À ce stade, l'hydrogène d'alimentation est à 22K (-251 °C), 20 bara et 99% de para-hydrogène. L'étape finale de la liquéfaction est réalisée avec une vanne Joule-Thompson qui abaisse la pression à 2 bara. La partie liquide du flux (98%) sort du liquéfacteur et la partie gazeuse restante est liquéfiée. For example, in variations, the target fluid stream 101 is composed of normal hydrogen (25% para-hydrogen and 75% orthohydrogen) at 21 bara, 298K (25°C) with a mass flow rate of 0.116 kg /s. The stream is first cooled to 90K (-183°C) by three heat exchangers, 106, 107, 108 and 136. The target fluid 101 then enters a first heat exchanger 136, catalytic for example, carrying out the first ortho-para conversion step. The target fluid stream 101 exits the pre-cooling portion at 80K (-193°C) and 48% para-hydrogen. In the downstream cooling section, the feed hydrogen reaches 26K (-247°C) and 98% para-hydrogen through five series catalytic heat exchangers (not referenced). The target fluid stream 101 is mixed with boil-off gas (translated as "boil-off gas") from the last stage of liquefaction and enters the last catalytic heat exchanger to reach 22K (- 251 °C). At this point the feed hydrogen is 22K (-251°C), 20 bara and 99% para-hydrogen. The final liquefaction stage is carried out with a Joule-Thompson valve which lowers the pressure to 2 bara. The liquid part of the stream (98%) leaves the liquefier and the remaining gaseous part is liquefied.
La réalisation de la conversion de l'orthohydrogène en para-hydrogène au cours de la liquéfaction peut être réalisée de plusieurs manières et entraîne donc des variantes. Achieving the conversion of orthohydrogen to para-hydrogen during liquefaction can be achieved in several ways and therefore entails variants.
L'intérêt de l’utilisation d’un échangeur catalytique est de réaliser une première étape de la conversion dans le circuit de pré-refroidissement pour éviter de la faire dans le circuit de refroidissement. The advantage of using a catalytic exchanger is to carry out a first stage of the conversion in the pre-cooling circuit to avoid doing it in the cooling circuit.
On peut toutefois ne pas avoir d'échangeur catalytique et utiliser un réacteur dédié, ou même ne pas faire de conversion à cet endroit. It is however possible not to have a catalytic exchanger and to use a dedicated reactor, or even not to make any conversion at this location.
L'idée générale est de réaliser une étape de conversion et de dissiper la chaleur de conversion grâce au troisième réfrigérant, en particulier à l'aide d'un échangeur catalytique. Dans des variantes, le circuit 102 de premier fluide réfrigérant est une boucle Claude à double pression et le réfrigérant utilisé est de l'hydrogène normal. Le fluide réfrigérant est d'abord comprimé à 29 bara par un compresseur multi-étage (non référencé). Le fluide est refroidi à 90 K (-183°C) dans trois échangeurs de chaleur, 106, 107, 108 et 136 par échange contre le flux de troisième fluide réfrigérant, puis refroidi à 80 K (-193°C) dans l’échangeur 136 par échange contre le flux de troisième fluide réfrigérant. Le premier fluide réfrigérant entre ensuite dans la section de refroidissement et est refroidi à 69 K (-204°C) dans le premier échangeur de chaleur de refroidissement (non référencé). Le réfrigérant est séparé, 89% du débit total est détendu à 18,5 bara et atteint 60K (-213°C). Le premier fluide réfrigérant est ensuite refroidi à 51 K (-222°C) dans un échangeur de chaleur (non référencé) et est à nouveau détendu avec un détendeur à deux étages à 4,5 bara pour atteindre 31 ,5K (-241 ,5°C). À partir de ce point, le premier fluide réfrigérant est utilisé comme réfrigérant dans les quatre premiers échangeurs de chaleur de refroidissement (non référencés). La partie restante (11 %) est refroidie à 26K à travers quatre échangeurs de chaleur (non référencés). Cette partie est ensuite détendue avec une vanne Joule-Thompson à 1 ,5 bara pour atteindre 22K. Le réfrigérant liquide refroidit le fluide cible 101 à 22K dans deux échangeurs de chaleur biphasiques (non référencé) et sept échangeurs de chaleur multi-flux, dont notamment le groupe 105 d’échangeurs de chaleur et l’échangeur 136. Les deux flux de réfrigérant à 4,5 et 1 ,5 bara sortent de la partie pré-refroidissement à température ambiante. Celui à basse pression est comprimé à 4,5 bara dans un premier compresseur (non référencé). Il est ensuite mélangé au flux à moyenne pression avant d'entrer dans le deuxième étage de compression (non référencé). The general idea is to carry out a conversion step and to dissipate the heat of conversion thanks to the third refrigerant, in particular using a catalytic exchanger. In variants, the first refrigerant circuit 102 is a double pressure Claude loop and the refrigerant used is normal hydrogen. The refrigerant is first compressed to 29 bara by a multi-stage compressor (not referenced). The fluid is cooled to 90 K (-183°C) in three heat exchangers, 106, 107, 108 and 136 by exchange against the flow of third refrigerant, then cooled to 80 K (-193°C) in the exchanger 136 by exchange against the flow of third refrigerant fluid. The first refrigerant then enters the cooling section and is cooled to 69 K (-204°C) in the first cooling heat exchanger (not referenced). The refrigerant is separated, 89% of the total flow is expanded to 18.5 bara and reaches 60K (-213°C). The first refrigerant is then cooled to 51 K (-222°C) in a heat exchanger (not referenced) and is again expanded with a two-stage expander at 4.5 bara to reach 31.5K (-241. 5°C). From this point, the first refrigerant is used as refrigerant in the first four cooling heat exchangers (not referenced). The remaining part (11%) is cooled to 26K through four heat exchangers (not referenced). This part is then relaxed with a Joule-Thompson valve at 1.5 bara to reach 22K. The liquid refrigerant cools the target fluid 101 to 22K in two two-phase heat exchangers (not referenced) and seven multi-flow heat exchangers, including the group 105 of heat exchangers and the exchanger 136. The two flows of refrigerant at 4.5 and 1.5 bara come out of the pre-cooling part at room temperature. The low pressure one is compressed to 4.5 bara in a first compressor (not referenced). It is then mixed with the medium pressure stream before entering the second compression stage (not referenced).
Le troisième fluide réfrigérant, par exemple de l’azote, refroidit le fluide 101 cible de 90 K (- 183°C) à 80 K (-193°C). L’azote est d'abord comprimé de 1 bara à 40 bara par un compresseur à plusieurs étages 130. L’azote est ensuite refroidi à 90 K (-183°C) dans trois échangeurs de chaleur, 106, 107, 108 et 136. L’azote est ensuite partiellement liquéfié à l'aide d'une vanne Joule-Thompson pour atteindre 78 K (-195°C) et l'azote fonctionne dans l’échangeur 106 de chaleur comme réfrigérant principal. La puissance froide restante de l'azote est utilisée dans les échangeurs de chaleur de pré refroidissement, 106, 107, 108 et 136. The third coolant, for example nitrogen, cools the target fluid 101 from 90 K (-183°C) to 80 K (-193°C). The nitrogen is first compressed from 1 bara to 40 bara by a multi-stage compressor 130. The nitrogen is then cooled to 90 K (-183°C) in three heat exchangers, 106, 107, 108 and 136 The nitrogen is then partially liquefied using a Joule-Thompson valve to reach 78 K (-195°C) and the nitrogen operates in heat exchanger 106 as the main refrigerant. The remaining cold nitrogen power is used in the pre-cooling heat exchangers, 106, 107, 108 and 136.
Dans des variantes, le deuxième fluide réfrigérant comporte un mélange de cinq composants dont les pourcentages molaires, par rapport à la quantité de matière totale du mélange des cinq composants, sont les suivants : R728 (azote), entre 4 et 14%, R50 (méthane) entre 26,4 et 40%, R1150 (éthylène) entre 14,9 et 36,4%, R290 (propane) entre 21 ,5 et 35% et R600 (butane) entre 14,8 et 25%. Ces réfrigérants ont des points d'ébullition différents allant de 78K (-195°C) à 261 K (-12°C) à la pression atmosphérique, ce qui rend le deuxième fluide réfrigérant partiellement liquide pendant la majeure partie du processus. In variants, the second refrigerant fluid comprises a mixture of five components whose molar percentages, relative to the total quantity of material of the mixture of the five components, are as follows: R728 (nitrogen), between 4 and 14%, R50 ( methane) between 26.4 and 40%, R1150 (ethylene) between 14.9 and 36.4%, R290 (propane) between 21.5 and 35% and R600 (butane) between 14.8 and 25%. These refrigerants have different boiling points ranging from 78K (-195°C) to 261K (-12°C) at atmospheric pressure, which makes the second refrigerant partially liquid for most of the process.
Le deuxième fluide réfrigérant est d'abord comprimé de 1 bara à 11 bara par un étage de compression 111. A 11 bara une fraction liquide apparaît (environ 10%) après le refroidissement intermédiaire à la température ambiante, les phases sont séparées et la partie gazeuse termine sa compression dans un compresseur 112 tandis que la partie liquide la termine dans une pompe 150. L'utilisation d'une pompe permet une réduction de la puissance de compression et donc une réduction de la consommation d'énergie de l'installation. Les flux comprimés sont ensuite mélangés et les phases sont à nouveau séparées. La partie liquide (30%) est refroidie à 182K (-91 °C) dans le premier échangeur 106 de chaleur et détendue avec une vanne Joule-Thompson à 1 bara. La partie gazeuse (80%) est refroidie à 182K (-91 °C) dans le premier échangeur 106 de chaleur et les phases sont séparées une fois de plus. La partie liquide (73%) est refroidie à 115K (-158°C) dans l’échangeur 107 de chaleur intermédiaire et détendue à 1 bara avec une vanne Joule-Thompson. La partie gazeuse (27%) est refroidie à 90K (-183°C) dans deux échangeurs de chaleur, 107 et 108, avant d'être détendue dans une vanne Joule-Thompson à 1 bara et de fournir sa puissance froide dans l’échangeur 108 de chaleur. Les deux flux précédents sont mélangés et fournissent de la puissance froide dans à l’échangeur 107 de chaleur. Enfin, les deux flux restants sont mélangés, fournissent de la puissance froide dans le premier échangeur 106 de chaleur et sont fournis à l’étage 111 de compression. The second refrigerant fluid is first compressed from 1 bara to 11 bara by a compression stage 111. At 11 bara a liquid fraction appears (approximately 10%) after the intermediate cooling to room temperature, the phases are separated and the part gas completes its compression in a compressor 112 while the liquid part completes it in a pump 150. The use of a pump allows a reduction in the compression power and therefore a reduction in the energy consumption of the installation. The compressed streams are then mixed and the phases are separated again. The liquid part (30%) is cooled to 182K (-91°C) in the first heat exchanger 106 and expanded with a Joule-Thompson valve to 1 bara. The gaseous part (80%) is cooled to 182K (-91°C) in the first heat exchanger 106 and the phases are separated once more. The liquid part (73%) is cooled to 115K (-158°C) in the intermediate heat exchanger 107 and expanded to 1 bara with a Joule-Thompson valve. The gaseous part (27%) is cooled to 90K (-183°C) in two heat exchangers, 107 and 108, before being expanded in a Joule-Thompson valve at 1 bara and supplying its cold power in the heat exchanger 108. The two previous streams are mixed and provide cold power in the heat exchanger 107. Finally, the two remaining streams are mixed, supply cold power in the first heat exchanger 106 and are supplied to the compression stage 111.
On observe, en figure 5, schématiquement, une succession d’étapes particulière du procédé 500 objet de la présente invention. Ce procédé 500 de refroidissement d’un flux d’un fluide cible à une température inférieure ou égale à 90 K, comporte : We observe, in FIG. 5, schematically, a particular succession of steps of the method 500 object of the present invention. This process 500 for cooling a flow of a target fluid to a temperature less than or equal to 90 K, comprises:
- une étape 505 de traversée, par le flux de fluide cible, d’un groupe d’au moins deux échangeurs de chaleur entre le flux de fluide cible, un flux d’un premier fluide de refroidissement et un flux d’un troisième fluide de refroidissement, - a step 505 of crossing, by the flow of target fluid, a group of at least two heat exchangers between the flow of target fluid, a flow of a first cooling fluid and a flow of a third fluid cooling,
- une étape 506 de circulation d’un flux d’un troisième fluide de refroidissement à travers au moins deux desdits échangeurs de chaleur et - a step 506 of circulation of a flow of a third cooling fluid through at least two of said heat exchangers and
- une étape 510 de circulation en circuit fermé d’un flux d’un deuxième fluide de refroidissement, ledit fluide comportant au moins du méthane, ladite étape de circulation comportant : - a closed circuit circulation step 510 of a flow of a second cooling fluid, said fluid comprising at least methane, said circulation step comprising:
- au moins une étape 515 de compression du flux du deuxième fluide, - at least one step 515 of compressing the flow of the second fluid,
- au moins une étape 520 de séparation liquide-gaz du flux du deuxième fluide pour former une partie liquide et une partie gazeuse, au moins l’une des deux parties étant fournies à au moins un dit échangeur de chaleur et - at least one stage 520 of liquid-gas separation of the flow of the second fluid to form a liquid part and a gaseous part, at least one of the two parts being supplied to at least one said heat exchanger and
- au moins une étape 525 de détente du flux du deuxième fluide. - at least one step 525 of expanding the flow of the second fluid.
Ce procédé est décrit, mutatis mutandis, dans différents modes de réalisations et variantes, en regard du dispositif, 100, 200, 300 et/ou 400, illustrés en figures 1 à 4. This method is described, mutatis mutandis, in different embodiments and variants, with regard to the device, 100, 200, 300 and/or 400, illustrated in FIGS. 1 to 4.
On observe, en figure 6, schématiquement, une succession d’étapes particulière du sous- procédé 600 objet de la présente invention. Ce sous-procédé 600 décrit un mode de réalisation particulier des interactions de premier fluide réfrigérant avec d’autres composants d’un dispositif, 100, 200, 300 ou 400, objet de la présente invention. We observe, in FIG. 6, schematically, a particular succession of steps of the sub-process 600 object of the present invention. This sub-process 600 describes a particular embodiment of the interactions of the first refrigerant fluid with other components of a device, 100, 200, 300 or 400, object of the present invention.
Ce sous-procédé 600 comporte : This sub-process 600 comprises:
- une étape 605 de compression du premier fluide réfrigérant à basse pression, - a step 605 of compressing the first refrigerant at low pressure,
- une étape 610 de mélange du premier fluide réfrigérant comprimé et du premier fluide réfrigérant à moyenne pression, - a step 610 of mixing the first compressed refrigerant fluid and the first medium-pressure refrigerant fluid,
- une étape 615 de compression du mélange du premier fluide réfrigérant, - a step 615 of compressing the mixture of the first refrigerant fluid,
- une étape 620 de refroidissement du premier fluide réfrigérant comprimé par échange de chaleur, dans le groupe 105 d’échangeurs, avec le deuxième fluide réfrigérant, pour atteindre une température comprise entre 90 K et 120 K, - une étape 625 de refroidissement du premier fluide réfrigérant comprimé par échange de chaleur, dans un échangeur 136 de chaleur, avec le troisième fluide réfrigérant, pour atteindre une température comprise entre 78 K et 90 K, - a step 620 of cooling the first compressed refrigerant by heat exchange, in the group 105 of exchangers, with the second refrigerant, to reach a temperature between 90 K and 120 K, - a step 625 of cooling the first compressed refrigerant by heat exchange, in a heat exchanger 136, with the third refrigerant, to reach a temperature between 78 K and 90 K,
- une étape 630 de refroidissement du premier fluide réfrigérant dans un troisième échangeur de chaleur, - a step 630 of cooling the first refrigerant fluid in a third heat exchanger,
- une étape 635 de séparation du flux de premier fluide réfrigérant en un flux à basse pression et un flux à basse pression, - a step 635 of separating the flow of first coolant into a low-pressure flow and a low-pressure flow,
- puis, d’une part : - then, on the one hand:
- une étape 640 de refroidissement du flux de premier fluide réfrigérant à basse pression dans un ensemble d’échangeurs de refroidissement, une étape 645 de détente du flux de premier fluide réfrigérant à basse pression, - a step 640 of cooling the flow of first coolant at low pressure in a set of cooling exchangers, a step 645 of expanding the flow of first coolant at low pressure,
- une étape 650 de refroidissement de fluides chauds dans au moins un échangeur du dispositif par le premier fluide réfrigérant, - a step 650 of cooling hot fluids in at least one exchanger of the device by the first refrigerant fluid,
- une étape 655 de circulation du premier fluide réfrigérant à basse pression vers l’étape 605 de compression, - a step 655 of circulation of the first refrigerant fluid at low pressure towards the step 605 of compression,
- et, d’autre part : - And on the other hand :
- une étape 660 de détente du flux de premier fluide réfrigérant à moyenne pression issu de l’étape 635 de séparation, - a step 660 of expansion of the flow of first coolant at medium pressure resulting from step 635 of separation,
- une étape 665 de refroidissement du premier fluide réfrigérant à moyenne pression détendu,- a step 665 of cooling the first expanded medium-pressure refrigerant fluid,
- une étape 670 de détente du flux de premier fluide réfrigérant à moyenne pression issu de l’étape 665 de refroidissement, - a step 670 of expansion of the flow of first coolant at medium pressure resulting from the step 665 of cooling,
- une étape 675 de refroidissement de fluides chauds dans au moins un échangeur du dispositif par le premier fluide réfrigérant et - a step 675 of cooling hot fluids in at least one exchanger of the device by the first refrigerant and
- une étape 680 de circulation du premier fluide réfrigérant à moyenne pression vers l’étape 610 de mélange. - a step 680 of circulation of the first medium-pressure refrigerant fluid to the step 610 of mixing.
On observe, en figure 7, schématiquement, une succession d’étapes particulière du sous- procédé 700 objet de la présente invention. Ce sous-procédé 700 décrit un mode de réalisation particulier des interactions de troisième fluide réfrigérant avec d’autres composants d’un dispositif, 100, 200, 300 ou 400, objet de la présente invention. We observe, in FIG. 7, schematically, a particular succession of steps of the sub-process 700 object of the present invention. This sub-process 700 describes a particular embodiment of the interactions of third refrigerant fluid with other components of a device, 100, 200, 300 or 400, object of the present invention.
Ce sous-procédé 700 comporte : This sub-process 700 comprises:
- une étape 705 de compression du troisième fluide réfrigérant, - a step 705 of compression of the third refrigerant fluid,
- une étape 710 de refroidissement du troisième fluide réfrigérant dans le groupe 105 d’échangeurs de chaleur, - a step 710 of cooling the third refrigerant fluid in the group 105 of heat exchangers,
- une étape 715 de détente du troisième fluide réfrigérant refroidi, - a step 715 of expansion of the cooled third refrigerant fluid,
- une étape 720 de refroidissement des fluides chauds, par le troisième réfrigérant, dans le groupe 105 d’échangeurs de chaleur et dans un échangeur 136 et - a step 720 of cooling the hot fluids, by the third refrigerant, in the group 105 of heat exchangers and in an exchanger 136 and
- une étape 725 de circulation du troisième fluide réfrigérant jusqu’à l’étape 705 de compression.- a step 725 of circulation of the third refrigerant fluid until step 705 of compression.
Dans une variante, l’étape 720 est réalisée uniquement dans l’échangeur 136. Alternatively, step 720 is performed only in exchanger 136.
On observe, en figure 8, schématiquement, une succession d’étapes particulière du sous- procédé 800 objet de la présente invention. Ce sous-procédé 800 décrit un mode de réalisation particulier des interactions de deuxième fluide réfrigérant avec d’autres composants d’un dispositif, 100, 200, 300 ou 400, objet de la présente invention. FIG. 8 schematically shows a succession of particular steps of the sub-process 800 which is the subject of the present invention. This sub-method 800 describes an embodiment particular second coolant interactions with other components of a device, 100, 200, 300 or 400, object of the present invention.
Ce sous-procédé 800 comporte : This sub-process 800 comprises:
- une étape 805 de compression du deuxième fluide réfrigérant, - a step 805 of compressing the second refrigerant fluid,
- une étape 810 de séparation du deuxième fluide réfrigérant en une phase liquide et une phase gazeuse, - a step 810 of separating the second refrigerant fluid into a liquid phase and a gaseous phase,
- une étape 815 de compression de la phase liquide du deuxième fluide réfrigérant, - a step 815 of compressing the liquid phase of the second refrigerant fluid,
- une étape 820 de compression de la phase gazeuse du deuxième fluide réfrigérant,- a step 820 of compression of the gaseous phase of the second refrigerant fluid,
- une étape 825 de mélange des phases gazeuse et liquide comprimées du deuxième fluide réfrigérant, - a step 825 of mixing the compressed gaseous and liquid phases of the second refrigerant fluid,
- une étape 830 de séparation du deuxième fluide réfrigérant en une partie liquide et une partie gazeuse, - a step 830 of separating the second refrigerant fluid into a liquid part and a gaseous part,
- puis, d’une part : - then, on the one hand:
- une étape 835 de refroidissement de la partie liquide, du deuxième fluide réfrigérant, issue de l’étape 830 de séparation, - a step 835 of cooling the liquid part, of the second refrigerant fluid, resulting from the step 830 of separation,
- une étape 840 de détente de la partie liquide du deuxième fluide réfrigérant refroidie,- a step 840 of expansion of the liquid part of the cooled second refrigerant fluid,
- et, d’autre part : - And on the other hand :
- une étape 860 de refroidissement de la partie gazeuse, du deuxième fluide réfrigérant, issue de l’étape 830 de séparation, - a step 860 of cooling the gaseous part, of the second refrigerant fluid, resulting from the step 830 of separation,
- une étape 865 de séparation du deuxième fluide réfrigérant issu de l’étape 860 de refroidissement en une partie liquide et une partie solide, - a step 865 for separating the second refrigerant fluid from the cooling step 860 into a liquid part and a solid part,
- puis, d’une part : - then, on the one hand:
- une étape 870 de refroidissement de la partie liquide du deuxième fluide réfrigérant et- a step 870 of cooling the liquid part of the second refrigerant and
- une étape 871 de détente de la partie liquide refroidie, - a step 871 for expanding the cooled liquid part,
- et, d’autre part : - And on the other hand :
- une étape 875 de refroidissement de la partie gazeuse du deuxième fluide réfrigérant,- a step 875 of cooling the gaseous part of the second refrigerant fluid,
- une étape 876 de détente de la partie gazeuse refroidie et - a step 876 of expansion of the cooled gaseous part and
- une étape 877 de refroidissement des fluides chauds, par le deuxième fluide réfrigérant issu de l’étape 876 de détente, dans les échangeurs, 107 et 108, - a step 877 of cooling the hot fluids, by the second refrigerant fluid resulting from step 876 of expansion, in the exchangers, 107 and 108,
- une étape 880 de mélange des parties liquides et solides issues des étapes 871 de détente et 877 de refroidissement, - a step 880 of mixing the liquid and solid parts resulting from the steps 871 of expansion and 877 of cooling,
- une étape 885 de refroidissement des fluides chauds, par le deuxième fluide réfrigérant, dans l’échangeur 107 intermédiaire et - a step 885 of cooling the hot fluids, by the second refrigerant fluid, in the intermediate exchanger 107 and
- une étape 890 de circulation du deuxième fluide réfrigérant issu de l’étape 885 de refroidissement vers une étape 845 de mélange, - a step 890 of circulation of the second coolant coming from step 885 of cooling towards a step 845 of mixing,
- l’étape 845 de mélange des flux issus d’une part de l’étape 840 de détente et de l’étape 890 de circulation, - the step 845 of mixing the flows resulting from the expansion step 840 and the circulation step 890,
- une étape 850 de refroidissement des fluides chauds, par le deuxième fluide réfrigérant, dans le premier échangeur 106 et - une étape 855 de circulation du deuxième fluide réfrigérant issu de l’étape 850 de refroidissement vers l’étape 805 de compression. - a step 850 of cooling the hot fluids, by the second refrigerant fluid, in the first exchanger 106 and - A step 855 of circulation of the second coolant coming from the step 850 of cooling towards the step 805 of compression.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif (100, 200, 300, 400) de pré-refroidissement d’un flux (101 ) d’un gaz cible à une température inférieure ou égale à 90 K, caractérisé en ce qu’il comporte : 1 . Device (100, 200, 300, 400) for pre-cooling a stream (101) of a target gas to a temperature less than or equal to 90 K, characterized in that it comprises:
- un groupe (105) d’au moins deux échangeurs (106, 107, 108, 136) de chaleur entre le flux de gaz cible, un flux (102) d’un premier fluide de refroidissement et au moins un flux parmi un flux d’un deuxième fluide de refroidissement et un flux d’un troisième fluide de refroidissement, le gaz cible en aval du groupe d’échangeurs restant sous forme gazeuse, - a group (105) of at least two heat exchangers (106, 107, 108, 136) between the target gas flow, a flow (102) of a first cooling fluid and at least one flow among a flow a second cooling fluid and a flow of a third cooling fluid, the target gas downstream of the group of exchangers remaining in gaseous form,
- un circuit (110) fermé de circulation d’un flux d’un deuxième fluide de refroidissement, ledit fluide comportant au moins du méthane, ledit circuit comportant : - a closed circuit (110) for circulating a flow of a second cooling fluid, said fluid comprising at least methane, said circuit comprising:
- au moins un étage (111 , 112) de compression du flux du deuxième fluide, - at least one stage (111, 112) for compressing the flow of the second fluid,
- au moins un étage (115, 116) de séparation liquide-gaz du flux du deuxième fluide pour former une partie liquide et une partie gazeuse, au moins l’une des deux parties étant fournies à au moins un dit échangeur de chaleur et - at least one stage (115, 116) of liquid-gas separation of the flow of the second fluid to form a liquid part and a gaseous part, at least one of the two parts being supplied to at least one said heat exchanger and
- au moins un étage (120, 121 , 122) de détente du flux du deuxième fluide et - at least one stage (120, 121, 122) for expanding the flow of the second fluid and
- un circuit (125, 305) de circulation d’un flux du troisième fluide de refroidissement à travers au moins un desdits échangeurs de chaleur, ledit circuit ne comportant pas de turbine de détente, ledit troisième fluide présentant une température de circulation dans ledit échangeur inférieure à 90K, lesdits circuits de circulation de chaque fluide de refroidissement étant distincts. - a circuit (125, 305) for circulating a flow of third cooling fluid through at least one of said heat exchangers, said circuit not comprising an expansion turbine, said third fluid having a circulation temperature in said exchanger less than 90K, said circulation circuits of each cooling fluid being separate.
2. Dispositif (100, 200) selon la revendication 1 , dans lequel le circuit (125) de circulation d’un flux du troisième fluide de refroidissement comporte au moins un étage (135) de détente du flux du troisième fluide, l’étage de détente comportant une vanne de Joule-Thompson, en amont dudit au moins un échangeur thermique. 2. Device (100, 200) according to claim 1, wherein the circuit (125) for circulating a flow of the third cooling fluid comprises at least one stage (135) for expanding the flow of the third fluid, the stage expansion comprising a Joule-Thompson valve, upstream of said at least one heat exchanger.
3. Dispositif (100, 200) selon la revendication 2, dans lequel le circuit (125, 305) de circulation du flux du troisième fluide est configuré pour que le troisième fluide de refroidissement comporte un mélange de liquide et de gaz en aval de l’étage (135) de détente. 3. Device (100, 200) according to claim 2, wherein the circuit (125, 305) for circulating the flow of the third fluid is configured so that the third cooling fluid comprises a mixture of liquid and gas downstream of the floor (135) for relaxation.
4. Dispositif (100, 200, 400) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le circuit (125) de circulation du flux du troisième fluide est configuré pour traverser au moins deux des échangeurs (106, 107, 108, 136) de chaleur du groupe (105) d’échangeurs de chaleur. 4. Device (100, 200, 400) according to one of claims 1 to 3, wherein the circuit (125) for circulating the flow of the third fluid is configured to pass through at least two of the exchangers (106, 107, 108, 136) heat from the group (105) of heat exchangers.
5. Dispositif (100, 200) selon l’une des revendications 2 ou 3 et selon la revendication 4, dans lequel le circuit (125) de circulation d’un flux du troisième fluide de refroidissement comporte l’étage (135) de détente du flux du troisième fluide entre une sortie pour troisième fluide d’un échangeur de chaleur (108) parmi les deux desdits échangeurs de chaleur et une entrée pour troisième fluide d’un échangeur de chaleur (136) parmi les deux desdits échangeurs de chaleur. 5. Device (100, 200) according to one of claims 2 or 3 and according to claim 4, wherein the circuit (125) for circulating a flow of the third cooling fluid comprises the stage (135) of expansion the flow of the third fluid between a third fluid outlet of a heat exchanger (108) of the two of said heat exchangers and a third fluid inlet of a heat exchanger (136) of the two of said heat exchangers.
6. Dispositif (100, 200) selon l’une des revendications 4 ou 5, dans lequel le circuit (125) de circulation d’un flux du troisième fluide de refroidissement comporte au moins un étage (130) de compression du flux du troisième fluide entre une sortie pour troisième fluide d’un échangeur de chaleur (136) parmi les deux desdits échangeurs de chaleur et une entrée pour troisième fluide d’un échangeur de chaleur (106) parmi les deux desdits échangeurs de chaleur. 6. Device (100, 200) according to one of claims 4 or 5, wherein the circuit (125) for circulating a flow of the third cooling fluid comprises at least one stage (130) of compression of the flow of the third fluid between a third fluid outlet of a heat exchanger (136) of the two of said heat exchangers and a third fluid inlet of a heat exchanger (106) of the two of said heat exchangers.
7. Dispositif (200) selon la revendication 6, qui comporte un échangeur (205) dédié de chaleur entre le flux du troisième fluide comprimé et au moins une partie du flux du troisième fluide issu d’un échangeur (136) de chaleur. 7. Device (200) according to claim 6, which comprises a dedicated heat exchanger (205) between the flow of the compressed third fluid and at least part of the flow of the third fluid from a heat exchanger (136).
8. Dispositif (100, 200) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le circuit (125) de circulation d’un flux est un circuit (125) fermé de circulation d’un flux d’un troisième fluide de refroidissement. 8. Device (100, 200) according to one of claims 1 to 7, wherein the circuit (125) for circulating a flow is a closed circuit (125) for circulating a flow of a third fluid of cooling.
9. Dispositif (300, 400) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le circuit (305) de circulation d’un flux d’un troisième fluide est un circuit ouvert de circulation d’un flux d’un troisième fluide de refroidissement à travers au moins un échangeur (136) de chaleur. 9. Device (300, 400) according to one of claims 1 to 7, wherein the circuit (305) for circulating a flow of a third fluid is an open circuit for circulating a flow of a third cooling fluid through at least one heat exchanger (136).
10. Dispositif (100, 200, 300, 400) selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel le flux de troisième fluide de refroidissement est un flux d’azote. 10. Device (100, 200, 300, 400) according to one of claims 1 to 9, wherein the flow of third cooling fluid is a nitrogen flow.
11 . Dispositif (100, 200, 300, 400) selon la revendication 10, dans lequel le circuit de circulation du flux d’azote est configuré pour que le flux d’azote soit contraint par au moins l’une des conditions opératoires suivantes : 11 . Device (100, 200, 300, 400) according to claim 10, in which the nitrogen flow circulation circuit is configured so that the nitrogen flow is constrained by at least one of the following operating conditions:
- une pression haute comprise entre 22 et 100 bara, - a high pressure between 22 and 100 bara,
- une pression basse comprise entre 1 et 2,2 bara, - a low pressure between 1 and 2.2 bara,
- un ratio massique d’azote sur fluide cible compris entre 1 et 8 et/ou - a mass ratio of nitrogen to target fluid between 1 and 8 and/or
- une température en entrée dans au moins un échangeur de chaleur comprise entre 78 K et- an inlet temperature in at least one heat exchanger of between 78 K and
88 K. 88k.
12. Dispositif (100, 200, 300, 400) selon l’une des revendications 1 à 11 , dans lequel le flux de troisième fluide de refroidissement présente une température de liquéfaction à pression atmosphérique inférieure ou égale à la température de liquéfaction à pression atmosphérique du deuxième fluide de refroidissement 12. Device (100, 200, 300, 400) according to one of claims 1 to 11, wherein the flow of third cooling fluid has a liquefaction temperature at atmospheric pressure lower than or equal to the liquefaction temperature at atmospheric pressure second coolant
13. Dispositif (100, 200, 300, 400) selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel : 13. Device (100, 200, 300, 400) according to one of claims 1 to 12, in which:
- un circuit de fluide cible (101 ) traverse successivement un premier échangeur (106) de chaleur et un deuxième échangeur (108) de chaleur du groupe (105), - a target fluid circuit (101) passes successively through a first heat exchanger (106) and a second heat exchanger (108) of the group (105),
- le circuit (110) fermé de circulation du flux du deuxième fluide de refroidissement traverse également le premier échangeur de chaleur et le deuxième échangeur de chaleur et - au moins un étage (115) de séparation liquide-gaz du flux du deuxième fluide est positionné en amont du premier échangeur de chaleur, au moins l’une des parties liquide et gazeuse étant fournies au dit premier échangeur de chaleur. - the closed circulation circuit (110) for the flow of the second cooling fluid also passes through the first heat exchanger and the second heat exchanger and - at least one stage (115) of liquid-gas separation of the flow of the second fluid is positioned upstream of the first heat exchanger, at least one of the liquid and gaseous parts being supplied to said first heat exchanger.
14. Dispositif (100, 200, 300, 400) selon l’une des revendications 1 à 13, dans lequel : 14. Device (100, 200, 300, 400) according to one of claims 1 to 13, in which:
- le groupe (105) d’échangeurs de chaleur comporte un échangeur (107) de chaleur intermédiaire, - the group (105) of heat exchangers comprises an intermediate heat exchanger (107),
- un circuit de fluide cible traverse successivement un premier échangeur (106) de chaleur du groupe (105), l’échangeur de chaleur intermédiaire et un deuxième échangeur (108) de chaleur du groupe (105), - a target fluid circuit successively passes through a first heat exchanger (106) of the group (105), the intermediate heat exchanger and a second heat exchanger (108) of the group (105),
- le circuit (110) fermé de circulation du flux du deuxième fluide de refroidissement traverse également le premier échangeur de chaleur, l’échangeur de chaleur intermédiaire de chaleur et le deuxième échangeur de chaleur et - the closed circulation circuit (110) for the flow of the second cooling fluid also passes through the first heat exchanger, the intermediate heat exchanger and the second heat exchanger and
- au moins un étage (116) de séparation liquide-gaz du flux du deuxième fluide est positionné en aval du premier échangeur de chaleur et amont de l’échangeur de chaleur intermédiaire, au moins l’une des parties liquide et gazeuse étant fournies au dit échangeur de chaleur intermédiaire. - at least one stage (116) of liquid-gas separation of the flow of the second fluid is positioned downstream of the first heat exchanger and upstream of the intermediate heat exchanger, at least one of the liquid and gaseous parts being supplied to the said intermediate heat exchanger.
15. Dispositif (100, 200, 300, 400) selon l’une des revendications 1 à 14, qui comporte, en aval d’un étage (111 ) de compression du deuxième fluide de refroidissement : 15. Device (100, 200, 300, 400) according to one of claims 1 to 14, which comprises, downstream of a stage (111) for compressing the second cooling fluid:
- un étage (140) de séparation liquide-gaz du deuxième fluide de refroidissement pour former une partie gaz et une partie liquide, - a stage (140) for liquid-gas separation of the second cooling fluid to form a gas part and a liquid part,
- un moyen (112) de compression de la partie gazeuse, - a means (112) for compressing the gaseous part,
- un moyen (150) de compression de la partie liquide et - a means (150) for compressing the liquid part and
- un moyen (155) de mélange de la partie gazeuse comprimée et de la partie liquide comprimée. - a means (155) for mixing the compressed gaseous part and the compressed liquid part.
16. Dispositif (100, 200, 300, 400) selon l’une des revendications 1 à 15, dans lequel le circuit de circulation du deuxième fluide réfrigérant est configuré pour que le flux de deuxième fluide réfrigérant soit contraint par au moins l’une des conditions opératoires suivantes : 16. Device (100, 200, 300, 400) according to one of claims 1 to 15, in which the circulation circuit of the second refrigerant fluid is configured so that the flow of second refrigerant fluid is constrained by at least one following operating conditions:
- une pression haute comprise entre 20 et 36 bara, - a high pressure between 20 and 36 bara,
- une pression basse comprise entre 1 et 2 bara, - a low pressure between 1 and 2 bara,
- un ratio massique d’azote sur fluide cible compris entre 17,5 et 28, - a mass ratio of nitrogen to target fluid between 17.5 and 28,
- une température en entrée du groupe d’échangeurs de chaleur comprise entre 86 K et 100 K,- a temperature at the heat exchanger group inlet of between 86 K and 100 K,
- une température en entrée d’un échangeur intermédiaire du groupe d’échangeurs de chaleur comprise entre 166 K et 210 K et/ou - a temperature at the inlet of an intermediate exchanger of the group of heat exchangers between 166 K and 210 K and/or
- une température en entrée d’un deuxième échangeur de chaleur du groupe d’échangeurs de chaleur comprise entre 95 K et 132 K. - a temperature at the inlet of a second heat exchanger of the group of heat exchangers between 95 K and 132 K.
17. Dispositif (100, 200, 300, 400) selon l’une des revendications 1 à 16, dans lequel le flux (101 ) de fluide cible est un flux d’hydrogène et/ou d’hélium. 17. Device (100, 200, 300, 400) according to one of claims 1 to 16, wherein the flow (101) of target fluid is a flow of hydrogen and / or helium.
18. Dispositif (100, 200, 300, 400) selon l’une des revendications 1 à 17, dans lequel le flux de premier fluide réfrigérant est un flux comportant au moins ou constitué : 18. Device (100, 200, 300, 400) according to one of claims 1 to 17, in which the flow of first refrigerant fluid is a flow comprising at least or consisting of:
- de dihydrogène, - dihydrogen,
- de néon, d’hélium ou d’un mélange de néon et d’hélium où - neon, helium or a mixture of neon and helium where
- d’un mélange de néon, d’hélium et de dihydrogène. - a mixture of neon, helium and dihydrogen.
19. Dispositif (100, 200, 300, 400) selon l’une des revendications 1 à 18, dans lequel le flux de deuxième fluide réfrigérant est un flux comportant ou constitué d’un mélange parmi : 19. Device (100, 200, 300, 400) according to one of claims 1 to 18, in which the flow of second refrigerant fluid is a flow comprising or consisting of a mixture of:
- un mélange d’azote, de méthane, d’éthylène ou d’éthane, de propane ou de propène et de n- butane ou de i-butane ou de but-1 -ène, - a mixture of nitrogen, methane, ethylene or ethane, propane or propene and n-butane or i-butane or but-1-ene,
- un mélange de méthane, d’éthylène ou d’éthane, de propane ou de propène et de n-butane ou de i-butane ou de but-1 -ène et - a mixture of methane, ethylene or ethane, propane or propene and n-butane or i-butane or but-1-ene and
- un mélange d’azote, de méthane, d’éthylène ou d’éthane, de propane ou de propène, de n- butane ou de i-butane ou de but-1 -ène et de n-pentane ou de i-pentane. - a mixture of nitrogen, methane, ethylene or ethane, propane or propene, n-butane or i-butane or but-1-ene and n-pentane or i-pentane .
20. Dispositif (100, 200, 300, 400) selon l’une des revendications 1 à 19, dans lequel le flux de deuxième fluide réfrigérant est constitué, en pourcentage molaire, de : 20. Device (100, 200, 300, 400) according to one of claims 1 to 19, in which the flow of second refrigerant fluid consists, in molar percentage, of:
- 4% à14% d’azote, - 4% to 14% nitrogen,
- 26,4% à 40% de méthane, - 26.4% to 40% methane,
- 14.9 % à 36.4 % d’éthylène, - 14.9% to 36.4% ethylene,
- 21 .5 % à 35 % de propane et - 21.5% to 35% propane and
- 14.8 % à 25 % de butane. - 14.8% to 25% butane.
21 . Procédé (500) de pré-refroidissement d’un flux d’un gaz cible à une température inférieure ou égale à 90 K, caractérisé en ce qu’il comporte : 21 . Process (500) for pre-cooling a flow of a target gas to a temperature less than or equal to 90 K, characterized in that it comprises:
- une étape (505) de traversée, par le flux de gaz cible, d’un groupe d’au moins deux échangeurs de chaleur entre le flux de gaz cible, un flux d’un premier fluide de refroidissement et au moins un flux parmi un flux d’un deuxième fluide de refroidissement et un flux d’un troisième fluide de refroidissement,- a step (505) of crossing, by the flow of target gas, a group of at least two heat exchangers between the flow of target gas, a flow of a first cooling fluid and at least one flow among a flow of a second cooling fluid and a flow of a third cooling fluid,
- une étape (506) de circulation d’un flux d’un troisième fluide de refroidissement à travers au moins un desdits échangeurs de chaleur, ladite étape de circulation ne comportant pas d’étape de détente réalisée par une turbine de détente, ledit troisième fluide présentant une température de circulation dans ledit échangeur inférieure à 90K et - a step (506) of circulation of a flow of a third cooling fluid through at least one of said heat exchangers, said circulation step not comprising an expansion step carried out by an expansion turbine, said third fluid having a circulation temperature in said exchanger of less than 90K and
- une étape (510) de circulation en circuit fermé d’un flux d’un deuxième fluide de refroidissement, ledit fluide comportant au moins du méthane, ladite étape de circulation comportant : - a closed circuit circulation step (510) of a flow of a second cooling fluid, said fluid comprising at least methane, said circulation step comprising:
- au moins une étape (515) de compression du flux du deuxième fluide, - at least one step (515) of compressing the flow of the second fluid,
- au moins une étape (520) de séparation liquide-gaz du flux du deuxième fluide pour former une partie liquide et une partie gazeuse, au moins l’une des deux parties étant fournies à au moins un dit échangeur de chaleur et - at least one stage (520) of liquid-gas separation of the flow of the second fluid to form a liquid part and a gaseous part, at least one of the two parts being supplied to at least one said heat exchanger and
- au moins une étape (525) de détente du flux du deuxième fluide. - at least one step (525) for expanding the flow of the second fluid.
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