EP4431850A1 - Liquéfacteur pour liquéfaction d'un gaz - Google Patents

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EP4431850A1
EP4431850A1 EP24160467.7A EP24160467A EP4431850A1 EP 4431850 A1 EP4431850 A1 EP 4431850A1 EP 24160467 A EP24160467 A EP 24160467A EP 4431850 A1 EP4431850 A1 EP 4431850A1
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EP
European Patent Office
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turbine
frame
heat exchanger
gas
cooler
Prior art date
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Pending
Application number
EP24160467.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Remy Kurtz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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    • F25J1/0281—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc. characterised by the type of prime driver, e.g. hot gas expander
    • F25J1/0283—Gas turbine as the prime mechanical driver
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    • F25J3/04—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 for air
    • F25J3/04151—Purification and (pre-)cooling of the feed air; recuperative heat-exchange with product streams
    • F25J3/04187—Cooling of the purified feed air by recuperative heat-exchange; Heat-exchange with product streams
    • F25J3/04218—Parallel arrangement of the main heat exchange line in cores having different functions, e.g. in low pressure and high pressure cores
    • F25J3/04224—Cores associated with a liquefaction or refrigeration cycle
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    • F25J3/04—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 for air
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    • F25J3/04333—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using quasi-closed loop internal vapor compression refrigeration cycles, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams
    • F25J3/04351—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using quasi-closed loop internal vapor compression refrigeration cycles, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of nitrogen
    • F25J3/04357—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using quasi-closed loop internal vapor compression refrigeration cycles, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of nitrogen and comprising a gas work expansion loop
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    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/0489—Modularity and arrangement of parts of the air fractionation unit, in particular of the cold box, e.g. pre-fabrication, assembling and erection, dimensions, horizontal layout "plot"
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
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    • F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/22—Compressor driver arrangement, e.g. power supply by motor, gas or steam turbine
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    • F25J2290/42—Modularity, pre-fabrication of modules, assembling and erection, horizontal layout, i.e. plot plan, and vertical arrangement of parts of the cryogenic unit, e.g. of the cold box

Definitions

  • the present invention relates to a liquefier and method for liquefying a gas liquefying at a cryogenic temperature, for example nitrogen, hydrogen, natural gas.
  • FR2706025 describes an air separation apparatus by cryogenic distillation comprising a framework containing the heat exchangers, the subcoolers, the valves, the cryogenic pumps, the turbines and the pipes to connect them to each other.
  • a distillation column is located outside this framework.
  • Nitrogen liquefiers are known from US20220404094 .
  • An object of the present invention is to reduce the ground footprint of a liquefier and to facilitate the late installation of any equipment, for example a turbine, in the frame, even if it is delivered late.
  • the turbine is often delivered after the arrival of other elements and it will be desirable to find a way to install it by reducing the number of operations required and in particular by avoiding the use of a crane; in the workshop, an overhead crane or a simple load lift can be used to install the equipment in place.
  • this framework contains other elements of the liquefier allowing assembly in the workshop by qualified personnel of the assembly, the connections between the exchanger and the other elements of the framework, for example interconnection box, Piping, instrumentation and electricity are also carried out by the manufacturing workshop.
  • the support may in particular be a flat surface located between the two ends of the frame, perpendicular to the length of the frame.
  • the support can be a partition of the frame.
  • an apparatus for separating air by cryogenic distillation comprising a column system, a liquefier as described above and means for sending a nitrogen-enriched gas to the liquefier from the column system as gas to be liquefied and optionally means for sending a gas liquefied in the liquefier to the column system.
  • FIG.1 shows an assembly comprising a nitrogen liquefier frame 1, set up with its main axis, which is its length, vertical and the equipment contained in the frame. One end of the frame is located a few meters from the ground or a flat surface while the opposite end is anchored to the ground or the flat surface.
  • the frame O has a substantially parallelepiped shape with a length, a width and a height.
  • the section of the frame is rectangular, or even square.
  • the substantially parallelepiped frame actually comprises two parallelepipeds which may be of different widths, joined to each other preferably welded or bolted, compartments 1 and 4 forming one parallelepiped and compartments 2 and 3 the other. It is preferable for the widest parallelepiped (here the one containing compartments 2 and 3) to be arranged below the other for reasons of stability.
  • At the top of the frame in a first compartment 1 is at least one heat exchanger E which is used to cool the gas to be liquefied to a temperature close to liquefaction or even to the liquefaction temperature.
  • the exchangers are oriented with their hot end at the top and the cold end at the bottom, when the frame is set up vertically.
  • a pipe C brings the gas to be liquefied to the hot end of the heat exchanger, this pipe C being able to be connected to an air separation device producing gaseous nitrogen.
  • the first compartment 1 is thermally insulated using a powdered insulator such as perlite.
  • auxiliary compartment 4 also called an interconnection box, divided from the first compartment by a wall and containing an essentially powdered insulation or rock wool.
  • the auxiliary compartment 4 does not contain any heat exchangers or turbine. It mainly contains connection pipes which pass through the partition via openings in it. These pipes connect the heat exchanger E with a turbine, located in a third compartment 3 located at the end of the frame O.
  • the turbine is connected to the at least one exchanger to send to the turbine a gas to be expanded cooled or heated in the at least one heat exchanger and/or to send from the turbine to the at least one heat exchanger a gas expanded in the turbine.
  • Heat exchanger E is a plate and fin exchanger, consisting of a stack of plates, each plate being separated from at least one adjacent plate by fins, each plate having a length and a width, and the plates being arranged with their length parallel to the axis of the frame.
  • the heat exchanger comprises two bodies, each of which can be considered a heat exchanger and each of which is composed of a stack of plates, each plate having a length and a width, and the plates being arranged with their length parallel to the axis of the frame.
  • the turbine drives a compressor of the liquefier by means of a shaft, the compressor being located outside the frame O.
  • the compressor is used to compress a cooled or heated gas in the at least one heat exchanger. At least a portion of the gas compressed in the compressor can be expanded in the turbine, depending on the methods.
  • a cooler R supplied with a refrigerant such as water to cool the compressed gas in the compressor driven by the turbine of the third compartment 3.
  • a refrigerant such as water
  • This partition must possibly be reinforced to support the weight of the cooler R. Since the cooler R operates at ambient temperatures or above 20 °C, it does not need to be thermally insulated or possibly includes protection to prevent personnel from touching the hot parts.
  • the framework is preferably not covered with sheets around the cooler which is thus in the open air.
  • a compartment 5 extends on one side of the frame between the second and fourth compartments, running along the second compartment 2. Thus the fluids do not need to pass through the second compartment 2, the pipes passing only through the compartment 5. As the compartment pipes are L-shaped, this allows more flexibility as the exchangers heat up and cool down, causing expansion and contraction.
  • This compartment 5 is thermally insulated with particle insulation or rock wool and must therefore be hermetically sealed, just like compartments 1 and 4 (if present).
  • the framework does not contain a distillation or washing column, the liquefier itself does not contain one.
  • a feed gas is sent into the frame O, cooled in the at least one exchanger E, according to a variant at least part of the feed gas is compressed in the compressor driven by the turbine T and then cooled in the cooler R, at least part of the feed gas is expanded in the turbine T.
  • the gas sent to the turbine T preferably comes from the cooler R.
  • a portion of the feed gas liquefies either in the exchanger or downstream of it and constitutes the product of the process.
  • the feed gas can be nitrogen, hydrogen, natural gas.
  • cryogenic distillation comprising a system of columns S, gaseous nitrogen from the air separation apparatus constituting the feed gas of the liquefier and at least part of the liquid nitrogen formed being optionally returned to the air separation apparatus.
  • the exchangers are arranged in height, with their length in the direction of the main axis of the frame.
  • the space below the exchangers is used in a clever way.
  • the frame has a length of at least 10 m, the cooler and the turbine occupying a part of the length of the frame equal to at least 4 m, when the frame is placed vertically, the cold end of at least one exchanger is at least 6 m from the ground.
  • a liquefied gas leaving the cold end has a non-negligible hydrostatic pressure, facilitating its sending elsewhere and making it possible to reduce the size of a pump if present.
  • Compartments 1 and 4 being thermally insulated with perlite, the frame is covered with sheet metal.
  • the frame may not be covered with sheet metal.
  • the turbine T is connected to provide cold to the at least one heat exchanger E.
  • the assembly comprising the frame O of the Figure 2 differs from that of the Figure 1 in that compartments 2 and 3 are reversed, the cooler R being located at the end of the frame in compartment 2 and the turbine M between compartment 4 and compartment 2 of the cooler R. Compartment 3 of the turbine T being at a height greater than 2m, this introduction does not require the use of a crane.
  • the frame In manufacturing and during transport ([ FIG.2 ]), the frame is arranged with its main axis horizontal.
  • the lifting lugs L can be seen at the end of the frame where the exchangers E are located.
  • Such lugs L can be found at both ends of the frame O.
  • these ears or attachments L allow a crane G to lift the frame and install it with its main axis vertical.
  • Feet P allow the frame to be fixed to the ground or to a foundation.
  • the O frame can take the form of a standardized container to facilitate transport.
  • Frame O includes means for sending a sweep gas to compartments 1, 4 and 5 (if present for the last two).
  • the turbine can be transported in the frame or else added to the frame on site. In the second case, it is necessary to calculate the dimensions and rigidities of the frame for both cases: the one where the turbine is present and the one where it is absent.
  • the frame can be lifted in a single operation, preferably being formed in one piece.
  • the at least one turbine and the at least one heater are supported in the frame, so as to be able to operate if the frame is positioned with its main axis, which is its length, vertical.
  • the at least one heat exchanger being supported in the frame to operate by being located above the at least one turbine and the at least one heater.
  • the gas to be expanded in the at least one turbine may be the gas to be liquefied or another gas, for example a mixed refrigerant.

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Abstract

Un liquéfacteur d'un gaz comprend une ossature (O) pour un contenant à une extrémité au moins un échangeur de chaleur (E) à plaques et à ailettes, chaque plaque ayant une longueur et une largeur, et les plaques étant disposés avec leur longueur en parallèle à la longueur de l'ossature et à l'autre extrémité une turbine (M) pour fournir du froid à l'au moins un échangeur de chaleur, de sorte que la turbine se trouve en dessous de l'au moins un échangeur.

Description

  • La présente invention est relative à un liquéfacteur et procédé de liquéfaction d'un gaz se liquéfiant à une température cryogénique, par exemple l'azote, l'hydrogène, du gaz naturel.
  • FR2706025 décrit un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une ossature contenant les échangeurs de chaleur, les sous refroidisseurs, les vannes, les pompes cryogéniques, les turbines et les conduites pour les relier les uns aux autres. Une colonne de distillation est située en dehors de cette ossature.
  • Des liquéfacteurs d'azote sont connus de US20220404094 .
  • « Marinized Liquéfaction and Gas Conditioning for Floating Lng" de Bryan Trocquet, GasTech 2009 présente une ossature ayant une turbine de liquéfacteur à une extrémité. « The Latest in Floating LNG Technologies » de Bryan Trocquet, GasTech 2008 montre que les
  • Un objet de la présente invention est de réduire la prise au sol d'un liquéfacteur et de faciliter l'installation tardive de quelconque équipement par exemple d'une turbine dans l'ossature, même si celle-ci est livrée tardivement.
  • En effet, la turbine est souvent livrée après l'arrivée d'autres éléments et il sera souhaitable de trouver un moyen de l'installer en réduisant le nombre d'opérations nécessaires et en particulier en évitant l'usage d'une grue, à l'atelier, un pont roulant ou un simple lève charge peut être utilisé pour l'installation en place des équipements.
  • Il est intéressant d'utiliser un moyen de support pour l'échangeur de chaleur du liquéfacteur qui sert également d'ossature à l'ensemble du module. De ce fait, cette ossature contient d'autres éléments du liquéfacteur permettant un montage à l'atelier par du personnel qualifié de l'ensemble, les connexions entre l'échangeur et les autres éléments de l'ossature, par exemple caisson d'interconnexion, tuyauteries, instrumentation et électricité sont également réalisées par l'atelier de fabrication.
  • En plus de réduire l'empreinte au sol, positionner les échangeurs à une élévation d'au moins 4 m par rapport au sol permet de produire du liquide, ainsi créant une pression hydrostatique, qui peut servir au transport du gaz ou réduire la taille d'une pompe utilisée pour pressuriser le liquide.
  • Selon un objet de l'invention, il est prévu un liquéfacteur d'un gaz qui se liquéfie à une température cryogénique comprenant un assemblage comprenant une ossature, l'ossature étant substantiellement en forme de parallélépipède allongé et ayant un axe principal correspondant à sa longueur ainsi que deux extrémités, l'ossature ne contenant pas de colonne de distillation, et à l'intérieur de l'ossature:
    1. i) A une extrémité de l'ossature au moins un échangeur de chaleur à plaques et à ailettes, chaque plaque ayant une longueur et une largeur, et les plaques étant disposées avec leur longueur en parallèle à l'axe de l'ossature
    2. ii) Une conduite pour envoyer un gaz à liquéfier à l'au moins un échangeur de chaleur
    3. iii) Une conduite pour enlever un gaz refroidi voire liquéfié de l'au moins un échangeur de chaleur
    4. iv) Un support monté dans l'ossature
    5. v) Au moins une turbine, la turbine étant fixée sur le support et étant agencée pour entraîner un compresseur disposé à l'extérieur de l'ossature, la turbine étant reliée à l'au moins un échangeur pour envoyer à la turbine un gaz à détendre refroidi ou réchauffé dans l'au moins un échangeur de chaleur et/ou pour envoyer de la turbine à l'au moins un échangeur de chaleur un gaz détendu dans la turbine
    6. vi) au moins un refroidisseur relié pour refroidir du gaz comprimé dans le compresseur
    7. vii) des moyens pour amener un fluide frigorigène au refroidisseur et
    8. viii) a) la turbine se trouve à une autre extrémité de l'ossature et le refroidisseur se trouve entre la turbine et l'au moins un échangeur de chaleur ou b) le refroidisseur se trouve à une autre extrémité de l'ossature et la turbine se trouve entre le refroidisseur et au moins un échangeur de chaleur,
    l'ossature étant positionnée avec son axe principal à la verticale, l'au moins un échangeur de chaleur se trouvant au-dessus de l'au moins une turbine et de l'au moins un réchauffeur, des moyens pour envoyer un gaz à liquéfier à l'échangeur de chaleur dans l'ossature et des moyens reliés à l'échangeur de chaleur pour sortir un gaz liquéfié de l'ossature.
  • Selon d'autres aspects optionnels, qui peuvent être combinés entre eux de toute manière compatible avec la logique et la science :
    • l'ossature comprend au moins une partition divisant l'ossature en au moins deux parties, la partition ayant la forme d'une plaque rectangulaire disposée perpendiculairement à l'axe de l'ossature, la partition servant de support pour la turbine si le refroidisseur est à l'autre extrémité de l'ossature ou pour le refroidisseur si la turbine est à l'autre extrémité de l'ossature, la turbine et le refroidisseur étant séparés l'une de l'autre par la partition.
    • l'ossature comprend au moins deux partitions divisant l'ossature en au moins trois parties, les partitions ayant la forme d'une plaque rectangulaire disposée perpendiculairement à l'axe de l'ossature, une des partitions servant de support pour la turbine si le refroidisseur est à l'autre extrémité de l'ossature ou pour le refroidisseur si la turbine est à l'autre extrémité de l'ossature, la turbine et le refroidisseur étant séparés l'une de l'autre par la partition servant de support.
    • l'ossature comprenant des pieds de fixation reliés à l'autre extrémité de l'ossature pour poser l'ossature sur une fondation.
    • l'ossature comprenant des moyens pour relier fluidiquement l'échangeur avec le compresseur pour amener un gaz refroidi dans l'échangeur vers le compresseur.
    • l'ossature comprenant des moyens pour relier fluidiquement l'échangeur avec la turbine pour amener un gaz détendu dans la turbine vers l'au moins un échangeur.
    • l'ossature est divisée en au moins trois compartiments, chaque compartiment ayant une dimension qui est une partie de la longueur de l'ossature, l'au moins un échangeur de chaleur étant dans un des au moins trois compartiments, la turbine dans un autre des au moins trois compartiments et l'au moins un refroidisseur dans encore un autre des au moins trois compartiments.
    • l'ossature comprenant un quatrième compartiment, vide de tout échangeur de chaleur et turbine, contenant des conduites de connexion entre l'échangeur de chaleur et un autre élément pouvant être l'au moins une turbine.
    • la turbine se trouve à une autre extrémité de l'ossature et est reliée au quatrième compartiment à travers un compartiment disposé côte à côte avec le compartiment contenant le refroidisseur.
    • l'ossature a une longueur d'au moins 10 m, le refroidisseur et la turbine occupant une partie de la longueur de l'ossature égale à au moins 4 m.
    • la turbine est reliée pour fournir du froid à l'au moins un échangeur de chaleur.
    • l'ossature est formée d'un seul tenant.
    • l'au moins un échangeur de chaleur est isolé thermiquement.
  • Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de liquéfaction d'un gaz à une température cryogénique utilisant un assemblage comprenant une ossature, l'ossature étant substantiellement en forme de parallélépipède allongé et ayant un axe principal correspondant à sa longueur ainsi que deux extrémités, l'ossature ne contenant pas de colonne de distillation, et à l'intérieur de l'ossature:
    1. i) A une extrémité de l'ossature au moins un échangeur de chaleur (E) à plaques et à ailettes, chaque plaque ayant une longueur et une largeur, et les plaques étant disposées avec leur longueur en parallèle à l'axe de l'ossature
    2. ii) Une conduite (C) pour envoyer un gaz à liquéfier à l'au moins un échangeur de chaleur
    3. iii) Une conduite pour enlever un gaz refroidi voire liquéfié de l'au moins un échangeur de chaleur
    4. iv) Un support monté dans l'ossature
    5. v) Au moins une turbine (M), la turbine étant fixée sur le support et étant agencée pour entraîner un compresseur disposé à l'extérieur de l'ossature, la turbine étant reliée à l'au moins un échangeur pour envoyer à la turbine un gaz à détendre refroidi ou réchauffé dans l'au moins un échangeur de chaleur et/ou pour envoyer de la turbine à l'au moins un échangeur de chaleur un gaz détendu dans la turbine
    6. vi) au moins un refroidisseur (R) relié pour refroidir du gaz comprimé dans le compresseur
    7. vii) a) la turbine se trouve à une autre extrémité de l'ossature et le refroidisseur se trouve entre la turbine et l'au moins un échangeur de chaleur ou b) le refroidisseur se trouve à une autre extrémité de l'ossature et la turbine se trouve entre le refroidisseur et au moins un échangeur de chaleur,
    8. viii) l'ossature étant positionnée avec son axe principal à la verticale, l'au moins un échangeur de chaleur (E) se trouvant au-dessus de l'au moins une turbine (M) et de l'au moins un réchauffeur (R),
    dans lequel on envoie un gaz à liquéfier à l'échangeur de chaleur dans l'ossature et on sort de l'échangeur de chaleur un gaz liquéfié, on amène un fluide frigorigène au refroidisseur et on fournit du froid pour la liquéfaction par détente d'un gaz dans l'au moins une turbine, le gaz ayant été refroidi ou réchauffé dans l'au moins un échangeur de chaleur et/ou un gaz détendu dans la turbine étant envoyé à l'au moins un échangeur de chaleur.
  • Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un assemblage comprenant une ossature, l'ossature étant substantiellement en forme de parallélépipède allongé et ayant un axe principal correspondant à sa longueur ainsi que deux extrémités, l'ossature ne contenant pas de colonne de distillation, et à l'intérieur de l'ossature:
    1. i) A une extrémité de l'ossature au moins un échangeur de chaleur à plaques et à ailettes, chaque plaque ayant une longueur et une largeur, et les plaques étant disposées avec leur longueur en parallèle à l'axe de l'ossature
    2. ii) Une conduite pour envoyer un gaz à liquéfier à l'au moins un échangeur de chaleur
    3. iii) Une conduite pour enlever un gaz refroidi voire liquéfié de l'au moins un échangeur de chaleur
    4. iv) Un support monté dans l'ossature
    5. v) Au moins une turbine, la turbine étant fixée sur le support et étant agencée pour entraîner un compresseur disposé à l'extérieur de l'ossature, la turbine étant reliée à l'au moins un échangeur pour envoyer à la turbine un gaz à détendre refroidi ou réchauffé dans l'au moins un échangeur de chaleur et/ou pour envoyer de la turbine à l'au moins un échangeur de chaleur un gaz détendu dans la turbine
    6. vi) au moins un refroidisseur relié pour refroidir du gaz comprimé dans le compresseur
    7. vii) des moyens pour amener un fluide frigorigène au refroidisseur et
    8. viii) a) la turbine se trouve à une autre extrémité de l'ossature et le refroidisseur se trouve entre la turbine et l'au moins un échangeur de chaleur ou b) le refroidisseur se trouve à une autre extrémité de l'ossature et la turbine se trouve entre le refroidisseur et au moins un échangeur de chaleur,
    • l'au moins une turbine et l'au moins un réchauffeur étant supportés dans
    • l'ossature, afin de pouvoir fonctionner si l'ossature est positionnée avec son axe principal, qui est sa longueur, à la verticale, l'au moins un échangeur de chaleur étant supporté dans l'ossature pour fonctionner en se trouvant au-dessus de au moins une turbine et de l'au moins un réchauffeur.
  • Le support peut en particulier être une surface plane se trouvant entre les deux extrémités de l'ossature, perpendiculaire à la longueur de l'ossature.
  • Le support peut être une partition de l'ossature.
  • Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes, un liquéfacteur tel que décrit ci-dessus et des moyens pour envoyer un gaz enrichi en azote au liquéfacteur depuis le système de colonnes comme gaz à liquéfier et éventuellement des moyens pour envoyer un gaz liquéfié dans le liquéfacteur vers le système de colonnes.
  • L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures où :
    • [FIG.1] est une coupe longitudinale d'une ossature selon l'invention en position verticale.
    • [FIG.2] est une coupe longitudinale d'une variante d'ossature selon l'invention, en fabrication et transport en position horizontale.
    • [FIG.3] est une coupe longitudinale de la variante d'ossature selon la figure 2, montrant mise en place sur site.
  • [FIG.1] montre un assemblage comprenant une ossature 1 de liquéfacteur d'azote, mise en place avec son axe principal, qui est sa longueur, à la verticale et les équipements contenus dans l'ossature. Une extrémité de l'ossature se trouve à quelques mètres du sol ou d'une surface plane alors que l'extrémité opposée est ancrée au sol ou de la surface plane.
  • L'ossature O a une forme substantiellement parallélépipédique avec une longueur, une largeur et une hauteur. La section de l'ossature est rectangulaire, voire carrée. Comme illustré ici, l'ossature substantiellement parallélépipédique comprend en fait deux parallélépipèdes qui peuvent être de largeurs différentes, joints l'un à l'autre de préférence soudés ou boulonnés, les compartiments 1 et 4 formant un parallélépipède et les compartiments 2 et 3 l'autre. Il est préférable que le parallélépipède le plus large (ici celui contenant les compartiments 2 et 3) soit disposé en dessous de l'autre pour des raisons de stabilité.
  • En haut de l'ossature dans un premier compartiment 1 se trouve au moins un échangeur de chaleur E qui sert à refroidir le gaz à liquéfier jusqu'à une température proche de la liquéfaction voire jusqu'à la température de liquéfaction. Les échangeurs sont orientés avec leur bout chaud en haut et le bout froid en bas, quand l'ossature est mise en place à la verticale. Une conduite C amène le gaz à liquéfier au bout chaud de l'échangeur de chaleur, cette conduite C pouvant être reliée à un appareil de séparation d'air produisant de l'azote gazeux.
  • Le premier compartiment 1 est isolé thermiquement au moyen d'un isolant pulvérulent tel que la perlite.
  • En dessous du premier compartiment 1 se trouve éventuellement un compartiment auxiliaire 4 appelé aussi caisson d'interconnexion, divisé du premier compartiment par une paroi et contenant un isolant essentiellement pulvérulent ou de la laine de roche. Le compartiment auxiliaire 4 ne contient ni échangeurs de chaleur ni turbine. Il contient principalement des conduites de connexion qui passent à travers la partition par des ouvertures dans celle-ci. Ces conduites relient l'échangeur de chaleur E avec une turbine, situés dans un troisième compartiment 3 situé à l'extrémité de l'ossature O. La turbine est reliée à l'au moins un échangeur pour envoyer à la turbine un gaz à détendre refroidi ou réchauffé dans l'au moins un échangeur de chaleur et/ou pour envoyer de la turbine à l'au moins un échangeur de chaleur un gaz détendu dans la turbine.
  • L'échangeur de chaleur E est un échangeur à plaques et à ailettes, composé d'un empilement de plaques, chaque plaque étant séparée d'au moins une plaque adjacente par des ailettes, chaque plaque ayant une longueur et une largeur, et les plaques étant disposées avec leur longueur en parallèle à l'axe de l'ossature.
  • Dans la figure, on voit que l'échangeur de chaleur comprend deux corps, chacun pouvant être considéré comme un échangeur de chaleur et chacun étant composé d'un empilement de plaques, chaque plaque ayant une longueur et une largeur, et les plaques étant disposées avec leur longueur en parallèle à l'axe de l'ossature.
  • La turbine entraîne un compresseur du liquéfacteur au moyen d'un arbre, le compresseur étant situé en dehors de l'ossature O. Le compresseur sert à comprimer un gaz refroidi ou réchauffé dans l'au moins un échangeur de chaleur. Au moins une partie du gaz comprimé dans le compresseur peut être détendue dans la turbine, selon les procédés.
  • Dans un deuxième compartiment 2, placé entre le troisième compartiment 3 et le compartiment auxiliaire 4, on trouve un refroidisseur R alimenté par un fluide frigorigène tel que de l'eau pour refroidir le gaz comprimé dans le compresseur entraîné par la turbine du troisième compartiment 3. Il y a donc des conduites passant dans la partition entre les deuxième et troisième compartiments 2,3. Cette partition doit éventuellement être renforcée pour soutenir le poids du refroidisseur R. Comme le refroidisseur R fonctionne à des températures ambiantes ou supérieures à 20 °C, il n'a pas besoin d'être isolé thermiquement ou éventuellement comprend une protection pour éviter que le personnel touche les parties chaudes. L'ossature de préférence n'est pas revêtue de tôles autour du refroidisseur qui se trouve ainsi à l'air libre.
  • Pour permettre un accès direct des fluides venant d'au moins un échangeur E vers la turbine T et allant de la turbine T vers l'au moins un échangeur, un compartiment 5 s'étend sur un côté de l'ossature entre les deuxième et quatrième compartiments, longeant le deuxième compartiment 2. Ainsi les fluides n'ont pas besoin de transiter par le deuxième compartiment 2, les conduites transitant uniquement par le compartiment 5. Comme les conduites du compartiment sont en forme de L, ceci permet plus de souplesse quand les échangeurs se réchauffent et se refroidissent, provoquant des dilatations et du rétrécissement.
  • Ce compartiment 5 est isolé thermiquement à l'isolation particulaire ou à la laine de roche et doit donc être fermé hermétiquement, tout comme les compartiments 1 et 4 (si présents).
  • L'ossature ne contient pas de colonne de distillation ou de lavage, le liquéfacteur lui-même n'en contenant pas.
  • Un gaz d'alimentation est envoyé dans l'ossature O, se refroidit dans l'au moins un échangeur E, selon une variante au moins une partie du gaz d'alimentation est comprimée dans le compresseur entraîné par la turbine T et ensuite refroidie dans le refroidisseur R, au moins une partie du gaz d'alimentation est détendue dans la turbine T. Le gaz envoyé à la turbine T provient de préférence du refroidisseur R.
  • Une partie du gaz d'alimentation se liquéfie soit dans l'échangeur soit en aval de celui-ci et constitue le produit du procédé.
  • Le gaz d'alimentation peut être de l'azote, de l'hydrogène, du gaz naturel.
  • Dans ce cas, il est commun d'associer ce type de liquéfacteur à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes S, de l'azote gazeux de l'appareil de séparation d'air constituant le gaz d'alimentation du liquéfacteur et au moins une partie de l'azote liquide formé étant éventuellement renvoyée à l'appareil de séparation d'air.
  • On note que les échangeurs sont disposés en hauteur, avec leur longueur dans le sens de l'axe principal de l'ossature. Ainsi l'espace en dessous des échangeurs est utilisé de manière astucieuse. De plus, étant donné que l'ossature a une longueur d'au moins 10 m, le refroidisseur et la turbine occupant une partie de la longueur de l'ossature égale à au moins 4 m, quand l'ossature est mise à la verticale, le bout froid de au moins un échangeur se trouve à au moins 6m du sol. Ainsi un gaz liquéfié sortant du bout froid a une pression hydrostatique non négligeable, facilitant son envoi ailleurs et permettant de réduire la taille d'une pompe si présente.
  • Les compartiments 1 et 4 (si présent) étant isolés thermiquement à la perlite, l'ossature est revêtue de tôle. Pour les compartiments 2 et 3 où l'isolant thermique si présent est généralement de la laine de roche, l'ossature peut ne pas être revêtu de tôle.
  • Il est recommandé de laisser dans l'ossature une ouverture suffisamment grande pour laisser entrer la turbine si celle-ci arrive sur site tardivement. Le compartiment 5 de la turbine T étant au ras du sol, cette introduction est particulièrement aisée et ne requiert pas l'usage d'une grue.
  • La turbine T est reliée pour fournir du froid à l'au moins un échangeur de chaleur E. L'assemblage comprenant l'ossature O de la Figure 2 diffère de celle de la Figure 1 en ce que les compartiments 2 et 3 sont inversés, le refroidisseur R se trouvant à l'extrémité de l'ossature dans le compartiment 2 et la turbine M entre le compartiment 4 et le compartiment 2 du refroidisseur R. Le compartiment 3 de la turbine T étant à une hauteur supérieure à 2m, cette introduction ne requiert pas l'usage d'une grue.
  • En fabrication et pendant le transport ([FIG.2]), l'ossature est disposée avec son axe principal à l'horizontale. On peut y voir les oreilles de levage L (en anglais « lifting lugs ») à l'extrémité de l'ossature où se trouvent les échangeurs E. De telles oreilles L peuvent se trouvent aux deux extrémités de l'ossature O.
  • Lors de mise en place sur site ([FIG.3]), ces oreilles ou attaches L permettent à une grue G de soulever l'ossature et de l'installer avec son axe principal à la verticale. Des pieds P permettant de fixer l'ossature au sol ou à une fondation.
  • L'ossature O peut prendre la forme d'un conteneur normalisé pour faciliter le transport.
  • L'ossature O comprend des moyens pour envoyer un gaz de balayage aux compartiments 1, 4 et 5 (si présents pour les deux derniers).
  • La turbine peut être transportée dans l'ossature ou sinon rajoutée dans l'ossature sur site. Dans le deuxième cas, il est nécessaire de calculer les dimensions et les rigidités de l'ossature pour les deux cas : celui où la turbine est présente et celle où elle est absente.
  • L'ossature peut être levée en une seule opération, étant formée de préférence d'un seul tenant.
  • L'au moins une turbine et l'au moins un réchauffeur sont supportés dans l'ossature, afin de pouvoir fonctionner si l'ossature est positionnée avec son axe principal, qui est sa longueur, à la verticale. L'au moins un échangeur de chaleur étant supporté dans l'ossature pour fonctionner en se trouvant au-dessus de au moins une turbine et de l'au moins un réchauffeur.
  • Il sera compris que s'il faut transporter l'ossature, les équipements qu'il contient auront besoin d'être sécurisés pour un transport à l'horizontal même si ceux-ci doivent fonctionner à terme avec l'ossature à la verticale.
  • Le gaz à détendre dans l'au moins une turbine peut être le gaz à liquéfier ou un autre gaz, par exemple un réfrigérant mixte.

Claims (11)

1. Liquéfacteur d'un gaz qui se liquéfie à une température cryogénique comprenant un assemblage comprenant une ossature (O), l'ossature étant substantiellement en forme de parallélépipède allongé et ayant un axe principal correspondant à sa longueur ainsi que deux extrémités, l'ossature ne contenant pas de colonne de distillation, et à l'intérieur de l'ossature:
i) A une extrémité de l'ossature au moins un échangeur de chaleur (E) à plaques et à ailettes, chaque plaque ayant une longueur et une largeur, et les plaques étant disposées avec leur longueur en parallèle à l'axe de l'ossature
ii) Une conduite (C) pour envoyer un gaz à liquéfier à l'au moins un échangeur de chaleur
iii) Une conduite pour enlever un gaz refroidi voire liquéfié de l'au moins un échangeur de chaleur
iv) Un support monté dans l'ossature
v) Au moins une turbine (M), la turbine étant fixée sur le support et étant agencée pour entraîner un compresseur disposé à l'extérieur de l'ossature, la turbine étant reliée à l'au moins un échangeur pour envoyer à la turbine un gaz à détendre refroidi ou réchauffé dans l'au moins un échangeur de chaleur et/ou pour envoyer de la turbine à l'au moins un échangeur de chaleur un gaz détendu dans la turbine
vi) au moins un refroidisseur (R) relié pour refroidir du gaz comprimé dans le compresseur
vii) des moyens pour amener un fluide frigorigène au refroidisseur et
viii) a) la turbine se trouve à une autre extrémité de l'ossature et le refroidisseur se trouve entre la turbine et l'au moins un échangeur de chaleur ou b) le refroidisseur se trouve à une autre extrémité de l'ossature et la turbine se trouve entre le refroidisseur et au moins un échangeur de chaleur,
l'ossature étant positionnée avec son axe principal à la verticale, l'au moins un échangeur de chaleur (E) se trouvant au-dessus de l'au moins une turbine (M) et de l'au moins un réchauffeur (R), des moyens (C) pour envoyer un gaz à liquéfier à l'échangeur de chaleur dans l'ossature et des moyens reliés à l'échangeur de chaleur pour sortir un gaz liquéfié de l'ossature.
2. Liquefacteur selon la revendication 1 comprenant au moins une partition divisant l'ossature en au moins deux parties (1,2,3,4,5), la partition ayant la forme d'une plaque rectangulaire disposée perpendiculairement à l'axe de l'ossature (O), la partition servant de support pour la turbine (M) si le refroidisseur (R) est à l'autre extrémité de l'ossature ou pour le refroidisseur si la turbine est à l'autre extrémité de l'ossature, la turbine et le refroidisseur étant séparés l'une de l'autre par la partition.
3. Liquéfacteur selon la revendication 1 ou 2 comprenant des pieds de fixation (P) reliés à l'autre extrémité de l'ossature (O) pour poser l'ossature sur une fondation.
4. Liquéfacteur selon l'une des revendications précédentes comprenant des moyens pour relier fluidiquement l'échangeur avec le compresseur pour amener un gaz refroidi dans l'échangeur vers le compresseur.
5. Liquéfacteur selon l'une des revendications précédentes comprenant des moyens pour relier fluidiquement l'échangeur avec la turbine pour amener un gaz détendu dans la turbine vers l'échangeur.
6. Liquéfacteur selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'ossature est divisée en au moins trois compartiments (1, 2, 3), chaque compartiment ayant une dimension qui est une partie de la longueur de l'ossature, l'au moins un échangeur de chaleur (E) étant dans un des au moins trois compartiments (1), la turbine (M) dans un autre des au moins trois compartiments (3) et l'au moins un refroidisseur (R) dans encore un autre (2) des au moins trois compartiments, les compartiments contenant la turbine et l'au moins un refroidisseur formant un parallélépipède plus large que celui que forme le compartiment contenant l'échangeur de chaleur.
7. Liquéfacteur selon la revendication 6 comprenant un quatrième compartiment (4), vide de tout échangeur de chaleur et turbine, contenant des conduites de connexion entre l'au moins un échangeur de chaleur (E) et un autre élément pouvant être l'au moins une turbine (M).
8. Liquéfacteur selon la revendication 7 dans laquelle la turbine (M) se trouve à une autre extrémité de l'ossature (O) et est reliée au quatrième compartiment (4) à travers un compartiment (5) disposé côte à côte avec le compartiment (2) contenant le refroidisseur (R).
9. Liquéfacteur selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'ossature (O) a une longueur d'au moins 10 m, le refroidisseur (R) et la turbine (M) occupant une partie de la longueur de l'ossature égale à au moins 4 m.
13. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes, un liquéfacteur selon une des revendications précédentes 1 à 10 et des moyens (C) pour envoyer un gaz enrichi en azote au liquéfacteur depuis le système de colonnes comme gaz à liquéfier.
14. Appareil selon la revendication 13 comprenant des moyens pour envoyer un gaz liquéfié dans le liquéfacteur vers le système de colonnes.
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