EP4641123A1 - Installation et un procédé de réfrigération d'un fluide à température cryogénique - Google Patents

Installation et un procédé de réfrigération d'un fluide à température cryogénique

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EP4641123A1
EP4641123A1 EP24172486.3A EP24172486A EP4641123A1 EP 4641123 A1 EP4641123 A1 EP 4641123A1 EP 24172486 A EP24172486 A EP 24172486A EP 4641123 A1 EP4641123 A1 EP 4641123A1
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EP
European Patent Office
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expansion
heat exchanger
turbine
expansion valve
final
Prior art date
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Application number
EP24172486.3A
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German (de)
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Marine ANDRICH
Ludovic Granados
Pierre BARJHOUX
Bhadri PRASAD
Baptiste PAGES
Emeline VANDROUX
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication date
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Priority to EP24172486.3A priority Critical patent/EP4641123A1/fr
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    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/34—Details about subcooling of liquids

Definitions

  • the invention relates to an installation and a method for refrigerating a fluid at cryogenic temperature.
  • the invention relates more particularly to a cryogenic liquefied gas production plant, for example, liquefied hydrogen, comprising a feed gas supply circuit to be cooled, the supply circuit having an upstream end intended to be connected to a gas source and a downstream end intended to be connected to at least one cryogenic storage unit configured to collect and store liquefied gas, the plant comprising a set of heat exchanger(s) in heat exchange with the supply circuit, the plant comprising at least one cooling device in heat exchange with all or part of the set of heat exchanger(s), the at least one cooling device comprising a cryogenic cycle gas refrigerator comprising at least one of: helium, hydrogen, neon, nitrogen, oxygen, or methane, the downstream end of the supply circuit comprising, between the set of heat exchanger(s) and the second end intended to be connected to the storage unit, a final expansion turbine configured to expand the feed gas which is in a liquid state at the inlet of said turbine, the feed circuit further comprising a bypass line from the final expansion turbine equipped with a first expansion valve
  • Producing a subcooled liquefied fluid effectively combats heat input and the generation of gases resulting from the boil-off of saturated liquids throughout a distribution chain. Indeed, a subcooled liquid subjected to unwanted heat inputs initially heats up while remaining in the liquid phase before vaporizing once it reaches its boiling point.
  • the invention relates in particular to a liquefier delivering a subcooled liquid which may be, for example, hydrogen, helium, carbon dioxide, air, Nitrogen, oxygen, and/or a mixture containing some of these molecules.
  • a subcooled liquid which may be, for example, hydrogen, helium, carbon dioxide, air, Nitrogen, oxygen, and/or a mixture containing some of these molecules.
  • Subcooling a fluid such as liquid hydrogen is more energy-intensive than using a liquefier to deliver saturated liquid because subcooling results in a temperature lower than the saturation temperature (efficiency compared to an ideal Carnot engine).
  • the invention relates in particular to applications such as liquefaction units where subcooled production is required.
  • the invention also relates to installations for liquefying components with a liquefaction temperature below -200°C, as the list of usable molecules is limited (typically for the liquefaction of hydrogen or helium).
  • Liquefaction units particularly hydrogen liquefiers, generally liquefy the gas by a two-stage process: 1) Cooling and/or liquefaction of the product through one or more closed-loop cooling cycles and 2) final expansion of the product through an expansion system to a pressure close to atmospheric pressure (typically from 15 to 30 or 40 bara before expansion down to 1.5 to 3 bara after expansion).
  • the composition of the cooling cycle gas in stage 1 is generally either close to the product itself (usually hydrogen, typically at a concentration of at least 90 mole percent) or a lighter chemical element (usually more than 20 mole percent helium).
  • the product obtained after expansion is generally a saturated liquid, while in the second case, it allows the production of a subcooled liquid.
  • Liquefaction units e.g., units producing liquefied nitrogen, liquefied hydrogen, or helium
  • the refrigeration cycle consists of compressor(s), (turbo)expander(s), and expansion valve(s) and/or turbine(s).
  • the final stage of the cooling cycle is generally ensured by an expansion valve (Joule-Thomson) producing a saturated liquid at low pressure (close to ambient pressure, typically between 0.05 and 0.2 MPaG). This sets the lowest temperature point of the process.
  • an expansion valve Joule-Thomson
  • the feed gas to be cooled/liquefied is cooled by the cooling cycle through a heat exchanger to a minimum temperature above the low temperature point. mentioned above due to the temperature differential between the inlet and outlet of a heat exchanger ensuring heat exchange between two fluids (typically between 0.5°C and 3°C difference).
  • the feed gas is then expanded through a Joule-Thomson valve to a pressure close to atmospheric pressure (typically close to or equal to the low pressure of the cooling cycle).
  • the expanded product is saturated, and its vapor phase is separated in a tank.
  • the saturated liquid is made available, and the saturated gas is recycled back into the process.
  • a Joule-Thomson valve and/or a turbine to expand the product to a liquid state.
  • Flash vaporization gas can form in distribution lines due to pressure drop and heat input. This induces two-phase flow, the physical properties of which complicate circuit design (increasing the risk of vibration). In the case of a high hydrostatic pressure difference between the liquid production point and the top of the liquid storage tank, additional flash vaporization of the product may occur, increasing liquid product loss.
  • a final expansion turbine of the liquefied feed gas allows sufficient subcooling to avoid or limit flash gas or reduced unit operation.
  • One aim of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of the prior art noted above.
  • the installation according to the invention which also conforms to the generic definition given in the preamble above, is essentially characterized in that the additional heat exchange line is configured to ensure this heat exchange with said heat exchanger between the expansion achieved by the first expansion valve and the expansion achieved by the second expansion valve, the additional heat exchange line being located upstream or, respectively, downstream of the expansion achieved by the first expansion valve.
  • the invention also relates to a process for liquefying cryogenic gases, for example, liquefied hydrogen, using a production plant comprising a feed gas circuit having an upstream end connected to a gas source and a downstream end connected to at least one cryogenic storage unit.
  • the plant comprises a set of heat exchanger(s) in heat exchange with the feed circuit and at least one cooling device in heat exchange with all or part of the set of heat exchanger(s).
  • the at least one cooling device comprises a cryogenic cycle gas refrigerator containing at least one of the following: helium, hydrogen, neon, nitrogen, oxygen, or methane.
  • the downstream end of the feed circuit comprises, between the set of heat exchanger(s) and the second end, a final expansion turbine for the liquefied gas.
  • the process comprises a step of cooling a feed gas stream circulating in the feed circuit by heat exchange. thermal with the assembly of heat exchanger(s) cooled by at least one cooling device to a temperature below the critical temperature of the feed gas or below the bubble temperature of the feed gas, and a main expansion stage of this cooled and liquefied feed gas stream in the final expansion turbine to produce a liquid stream having a pressure above the saturation or bubble pressure of said feed gas to preferably produce only a completely liquid phase, or alternatively an emergency expansion stage of this cooled feed gas stream in the first expansion valve and in the second expansion valve bypassing the final expansion turbine, and heat exchange cooling with a heat exchanger heat the entire heat exchanger(s) between the expansions in the first expansion valve and the second expansion valve.
  • Installation 1 for the production of cryogenic liquefied gas shown in the [ Fig. 1 ] includes a supply circuit 2 for the feed gas to be cooled (e.g., hydrogen or helium).
  • This supply circuit 2 includes an upstream end 21 intended to be connected to a gas source 123 (e.g., an electrolyzer or any other suitable source) and a downstream end 22 intended to be connected to at least one cryogenic storage 18 configured to collect and store the liquefied gas.
  • a gas source 123 e.g., an electrolyzer or any other suitable source
  • cryogenic storage 18 configured to collect and store the liquefied gas.
  • Installation 1 includes a set of heat exchanger(s) 3, 4, 5, 6 in heat exchange with the supply circuit 2 and at least one cooling device in heat exchange with all or part of the set of heat exchanger(s).
  • At least one cooling device is configured to produce a cooling power which is used to indirectly cool the gas in the supply circuit 2 via the heat exchanger(s).
  • the at least one cooling device preferably includes a cryogenic 9-cycle gas refrigerator comprising at least one of: helium, hydrogen, neon, nitrogen, oxygen or methane.
  • the cooling device 9 preferably comprises a cycle gas refrigerator containing hydrogen and/or helium.
  • the cycle gas can be conventionally subjected to a thermodynamic cycle 8 comprising compression in a compression mechanism (compressor(s)) 7, cooling of the compressed gas (heat exchanger(s) 3, 4, 5, 6), expansion of the cooled compressed gas (turbine(s) 10 and/or valve(s)) 11 and heating of the retained gas (heat exchanger(s) 6, 5, 4, 3).
  • the cycle circuit 8 may include at least one phase separator pot 12 and/or a thermosiphon-type system.
  • the installation 1 may further include an additional cooling device 13 configured to pre-cool the gas in the supply circuit 2 to an intermediate temperature.
  • the aforementioned cryogenic refrigerator 9 can thus ensure cooling from the intermediate temperature to the final liquefaction temperature.
  • the supplementary cooling (pre-cooling) device 13 may include a cold fluid (nitrogen) loop or a cycled refrigerator using nitrogen as its cycle gas, or a mixture of refrigerant gases ("MR"), for example.
  • Installation 1 may include more than two cooling devices.
  • the downstream end 22 of the feed circuit 2 comprises, between the set of heat exchangers 3, 4, 5, 6 and the second end 22 intended to be connected to the storage 18, a final expansion turbine 14 configured to expand the cooled feed gas into a liquid state. That is to say, at the inlet of the final expansion turbine 14, the feed gas has been supplied in liquid form (pressure below the critical pressure and temperature below the saturation temperature, the saturation temperature defining the limiting temperature between the liquid and gaseous states) or is supplied to the inlet of the final expansion turbine 14 in a dense supercritical form (pressure above the critical pressure and temperature below the critical temperature).
  • the expanded fluid is at least partly in liquid form.
  • This final expansion turbine 14 is thus positioned downstream of the last heat exchanger 6 of the series of exchangers from upstream to downstream.
  • the supply circuit 2 further includes a bypass line 17 from the final expansion turbine 14 equipped with a first expansion valve 15, preferably of the Joule Thomson type.
  • the supply circuit 2 may include a control device 23 located at the inlet of the final expansion turbine 14 and configured to regulate the pressure and/or flow rate in circuit 2 and/or the rotational speed of said turbine 14.
  • This control device 23 includes, or is made up of, for example, a valve.
  • the bypass line 17 of the final expansion turbine 14 preferably also bypasses this pressure and/or flow control device 23.
  • the supply circuit 2 includes a second expansion valve 16, preferably of the Joule-Thomson type, arranged in series upstream of the first expansion valve 15 and the final expansion turbine 14.
  • the supply circuit 2 also includes an additional heat exchange line 61 configured to provide heat exchange with a heat exchanger 6 for the entire heat exchanger assembly(ies) after passing through the second expansion valve 16 and before passing through the final expansion turbine 14 or the first expansion valve 15. That is to say, the additional heat exchange line 61 is configured to provide this heat exchange with said heat exchanger 6 between the expansion achieved by the second expansion valve 16 and the expansion achieved by the first expansion valve 15.
  • the additional heat exchange line 61 is located upstream of the expansion achieved by the first expansion valve 15.
  • this turbine when the final expansion turbine 14 is operational, this turbine can expand the previously liquefied gas to produce subcooled liquid.
  • the cooled feed gas stream (typically hydrogen) is expanded in the final expansion turbine 14 to produce a liquid stream with a pressure higher than the saturation pressure of said feed gas, preferably producing only a completely liquid phase.
  • the fluid pressure ratio between the upstream and downstream sides of the final expansion turbine 14 is preferably between five and twenty, and more preferably between five and ten.
  • the liquid in the supply circuit 2 after expansion in the second expansion valve 16 and passing through the additional heat exchange line 61, is expanded in the first expansion valve 15 of the bypass line. This produces a subcooled liquid, limiting flash downstream.
  • the pressure and/or flow rate can be controlled by the second expansion valve 16 between passages 60, 61 in the end exchanger 6 (case of the [ Fig. 1] and [Fig. 2 ]) or by valve 15 (case of the [ Fig. 3 ]).
  • the cooled and expanded supply gas flow in the second expansion valve 16 then undergoes cooling by heat exchange with the heat exchanger 6 and is then expanded in the first expansion valve 15 by bypassing the final expansion turbine 14.
  • the cooled supply gas flow is expanded in the first expansion valve 15 (and/or in the second expansion valve 16) with a pressure ratio preferably between five and twenty and preferably between five and ten to produce a fluid in a liquid state at the outlet.
  • the heat exchanger 6 in heat exchange with the additional heat exchanger line 6 can be the downstream end heat exchanger 6 of the set of heat exchangers 3, 4, 5, 6 in series, one outlet of which is connected to the inlet of the final expansion turbine 14.
  • the supply circuit 2 can make two successive distinct passes 60, 61 in the same end exchanger 6 (two separate exchange lines), the additional heat exchange line constituting one 61 of the two passes. That is to say, the supply circuit 2 can comprise, arranged in series in this order from upstream to downstream: a first 60 of the two passes in the end exchanger 6, the second expansion valve 16, the second 61 of the two passes in the end exchanger 6, the final expansion turbine 14 with its bypass line 17 equipped with the first expansion valve 15 and the second end.
  • the supply circuit 2 preferably includes at least one catalysis section 20 configured to convert ortho hydrogen to para hydrogen.
  • the catalysis section(s) 20 are configured to convert mostly hydrogen to para hydrogen (ortho to para conversion), for example above 80% or above 85% or above 95%, for example 99% para at the outlet of the catalysis section 20.
  • This catalytic section 20 can be located in at least one of the two passages 60, 61 in the end exchanger 6, for example in the first 60 passage.
  • the supply circuit 2 may include a third pressure-reducing valve 24, preferably of the Joule-Thomson type, arranged in series with the first 15 and second 16 pressure-reducing valves.
  • this third pressure-reducing valve 24 is located downstream of the final expansion turbine 17 and the bypass line 17.
  • This third pressure-reducing valve 24 allows for additional isenthalpic expansion of the feed gas downstream of the final expansion turbine 14, with a pressure ratio preferably between 1.05 and 5, and more preferably in the range of 1.3 to 2.7.
  • Installation 1 may include a control system 25 configured to allow switching Installation 1 into a first operating mode in which the bypass line 17 is closed and liquefied cryogenic fluid is produced via expansion in the final expansion turbine 14 or into a second Operating mode in which the bypass line 17 is open and the final expansion turbine 14 is stopped, and liquefied cryogenic fluid is produced via a double expansion through the second expansion valve 16 and the first expansion valve 15, and via a passage through the additional heat exchange line 61.
  • the control system 25 may, for example, include an electronic control unit comprising a microprocessor and configured to control all or some of the valves, and in particular a valve allowing the final expansion turbine 14 to be bypassed in favor of the first expansion valve 15. This switching may be manual or in response to a signal representing the operating status of the final expansion turbine 14. Of course, the control system 25 could be at least partially manual.
  • the switching can be activated, for example, manually, such as during transient phases like system start-ups or shutdowns, and/or automatically if the fluid temperature at a specific point in the system is too high. For example, if the temperature at the outlet of the first pass 60 (measured, estimated, or deduced from another measurement reflecting this temperature: for example, pressure, level, and/or temperature at another point in the refrigeration cycle) exceeds a predetermined threshold.
  • most of the fluid expansion can be carried out in the final expansion turbine 14, and the rest of the expansion can be carried out downstream of said turbine 14 (via the third expansion valve 24, see [ Fig. 1] and [Fig. 2 ] or via the second pressure relief valve 16 cf. [ Fig. 3 ]).
  • These expansions are configured to produce a 100% liquid flow at the outlet of the final expansion turbine 14.
  • the bulk of the relaxation can be achieved between the two passages 60 and 61
  • the first expansion valve 15 is controlled to progressively bypass the final expansion turbine 14 before interrupting the supply of cooled feed gas to the final expansion turbine 14.
  • a pressure drop is generated by the second expansion valve 16.
  • the switchover is preferably carried out in less than 10 minutes.
  • the installation 1 can first command the opening of the bypass line 17 of the turbine 14 and can close the valve 23 located at the inlet of the turbine 14. Then, gradually the first expansion valve 15 is opened and the pressure loss is controlled (created) by the valve 24 for example.
  • the method of implementation of the [ Fig. 2 ] differs from the previously described embodiment only in that the catalytic section 20 is located at the outlet of the first passage 60 in the end heat exchanger 6 (in a tank upstream of the second valve 16 (expansion). The conversion then takes place outside the heat exchanger in a tank 20 containing the catalyst. This adiabatic conversion is also exothermic (like the continuous conversion). The fluid has therefore been heated in tank 20 and passes back into the end heat exchanger 6 to be cooled (in the second pass 61).
  • the supply circuit 2 comprises, arranged in series in this order from upstream to downstream: a first 60 of the two passes in the end heat exchanger 6, the third expansion valve 24, the final expansion turbine 14 with its bypass line 17 equipped with the first expansion valve 15, the second 61 of the two passes in the end heat exchanger 6 then the second expansion valve 16 and the second end 22.
  • the third expansion valve 24 can also be omitted and its function can in this case be ensured by the first expansion valve 15.
  • the fluid in the feed circuit 2 can be cooled and liquefied (or densified if it is at a pressure higher than the critical pressure of the component) by indirect heat exchange with the refrigerator 9 in the heat exchanger 6 during the first pass 60.
  • This cold feed stream in a dense liquid or supercritical phase is then expanded through the final expansion turbine 14 to a pressure high enough to prevent the formation of a vapor phase in the outlet stream.
  • the fluid expanded by the turbine 14 is entirely liquid.
  • a valve 23 for example, a throttling valve
  • the supply circuit 2 may include, between on the one hand, the outlet of the final expansion turbine 14 and its bypass line 17 and, on the other hand, the second 61 of the two passages in the end exchanger 6, a bypass line 19 configured to allow fluid to be recovered directly at the outlet of the final expansion turbine 14 (or the bypass), i.e. without passing through the second 61 of the two passages in the end exchanger 6 (cf. [ Fig. 3 ].
  • the flow produced at the outlet of the final expansion turbine 14 can either be made available directly via the bypass line 19, or returned to a heat exchanger 16 (usually the same heat exchanger as illustrated) for further cooling and storage (after expansion in the second expansion valve 16).
  • a heat exchanger 16 usually the same heat exchanger as illustrated
  • part of the fluid produced at the outlet of the final expansion turbine 14 is sent to this bypass line 19, with the remainder of the flow being sent to the second passage 61.
  • the flow pressure at the outlet of the final expansion turbine 14 can be configured to a pressure high enough to prevent the production of a vapor phase in stream 4 must re-enter heat exchanger 6 for the second pass.
  • the expansion rates of the first 15 and second 16 expansion valves can be adjusted to prevent (or limit) the production of a vapor phase in the flow that makes the second pass 61 through the heat exchanger 6. This simplifies the design of the injection of this flow into the heat exchanger 6 (no need for a phase separator vessel and/or a two-phase injection system).
  • the final cooling by indirect heat exchange of the flow during the second pass 61 ensures continuous control of the final liquid product temperature.
  • the downstream valve 16, 24 allows the fluid to be reduced to a pressure close (taking into account the pressure drop along the pipes and equipment) to the operating pressure of the liquid storage tank that will receive the liquid.
  • the first expansion valve 15 thus allows for backup operation without the final expansion turbine 14, while still controlling the discharge temperature thanks to the final flow cooling stage.
  • This solution allows the use of a final expansion turbine 14 without jeopardizing the availability of the installation 1 in the event of a malfunction or unavailability of the turbine 14.
  • the final heat exchange (second pass 61) can be carried out, at least in part, with the same refrigerant used to cool the main process gas flow.
  • thermodynamic conditions temperature and pressure
  • the thermodynamic conditions (temperature and pressure) of the liquid produced via the final expansion turbine 14 or via the bypass line 17 may be similar.
  • the pressure at the outlet of the final expansion turbine 14 can be adjusted by the dedicated expansion valve 16, 24 upstream or downstream to protect the turbine from any production of steam phase.
  • the third 24 pressure relief valve ([ Fig. 1] and [Fig. 2 ] or valve 16 to the [ Fig. 3
  • This valve 24 can be controlled to ensure back pressure downstream of turbine 14 to prevent vaporization (flash), particularly during the final expansion bypass of turbine 14.
  • This valve 24 can be configured to ensure a minimum acceptable pressure at the outlet of turbine 14.
  • the fluid pressure at the outlet of the final expansion turbine 14 can, for example, be maintained at a pressure level 0.1 to a few bars higher than the fluid saturation pressure.
  • the installation may include a sensor for measuring the discharge pressure at the outlet of the final expansion turbine 14, and the installation may be configured to regulate the fluid pressure at the outlet of the final expansion turbine 14 based on the measured pressure.
  • the installation may also include a sensor for measuring the fluid temperature at the outlet and/or inlet of the final expansion turbine, with the discharge pressure being regulated based on the measured temperature.
  • the temperature of the fluid at the outlet of the final expansion turbine 14 can be between 15 and 30K, preferably between 20 and 25K.
  • a Joule-Thomson type expansion valve is, for example, an isenthalpic expansion element whose passage area can be enlarged or reduced. This means that the fluid can be heated or cooled in this valve depending on its inlet temperature and pressure conditions and the characteristics of the gas (particularly its temperature inversion curve, especially in the case of hydrogen).

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Abstract

L'invention concerne une installation de production de gaz liquéfié comprenant un circuit (2) d'alimentation de gaz d'alimentation, un ensemble d'échangeur(s) (3, 4, 5, 6) de chaleur, un réfrigérateur pour refroidir tout ou partie de l'ensemble d'échangeur(s) (3, 4, 5, 6) de chaleur, le circuit (2) d'alimentation comprenant, entre l'ensemble d'échangeur(s) (3, 4, 5, 6) de chaleur et son extrémité (22) aval, une turbine (14) de détente finale pour détendre le gaz d'alimentation à l'état liquide, le circuit (2) d'alimentation comprenant une ligne (17) de dérivation de la turbine (14) de détente finale munie d'une première vanne (15) de détente, une seconde vanne (16) de détente disposée en série en amont ou en aval de la première vanne (15) de détente et de la turbine (14) de détente finale, une ligne (61) d'échange thermique supplémentaire configurée pour assurer en échange thermique avec un échangeur (6) de chaleur de l'ensemble d'échangeur(s) (3, 4, 5, 6) de chaleur lorsque le gaz d'alimentation est détendu par la première vanne (15) de détente via la ligne (17) de dérivation, la ligne (61) d'échange thermique supplémentaire assurant cet échange thermique avec ledit échangeur (6) de chaleur entre la détente réalisée par la première vanne (15) de détente et la détente réalisée par la seconde vanne (16) de détente, la ligne (61) d'échange thermique supplémentaire étant située en amont ou, respectivement en aval de la détente réalisée par la première vanne (15) de détente.

Description

  • L'invention concerne une installation et un procédé de réfrigération d'un fluide à température cryogénique.
  • L'invention concerne plus particulièrement une installation de production de gaz liquéfié cryogénique, par exemple de l'hydrogène liquéfié, comprenant un circuit d'alimentation de gaz d'alimentation à refroidir, le circuit d'alimentation comprenant une extrémité amont destinée à être reliée à une source de gaz et une extrémité aval destinée à être reliée à au moins un stockage cryogénique configuré pour collecter et stocker du gaz liquéfié, l'installation comprenant un ensemble d'échangeur(s) de chaleur en échange thermique avec le circuit d'alimentation, l'installation comprenant au moins un dispositif de refroidissement en échange thermique avec tout ou partie de l'ensemble d'échangeur(s) de chaleur, le au moins un dispositif de refroidissement comprenant un réfrigérateur cryogénique à gaz de cycle comprenant au moins l'un parmi : de l'hélium, de l'hydrogène, du néon, de l'azote, de l'oxygène ou du méthane, l'extrémité aval du circuit d'alimentation comprenant, entre l'ensemble d'échangeur(s) de chaleur et la seconde extrémité destinée à être reliée au stockage, une turbine de détente finale configurée pour détendre le gaz d'alimentation qui est à l'état liquide à l'entrée de ladite turbine, le circuit d'alimentation comprenant en outre une ligne de dérivation de la turbine de détente finale munie d'une première vanne de détente, de préférence de type Joule Thomson, le circuit d'alimentation comprenant une seconde vanne de détente, de préférence de type Joule Thomson disposée en série en amont ou, respectivement, en aval de la première vanne de détente et de la turbine de détente finale, le circuit d'alimentation comprenant une ligne d'échange thermique supplémentaire configurée pour assurer en échange thermique avec un échangeur de chaleur de l'ensemble d'échangeur(s) de chaleur lorsque le gaz d'alimentation est détendu par la première vanne de détente via la ligne de dérivation.
  • Produire un fluide liquéfié sous-refroidi permet de lutter efficacement contre les entrées thermiques et la génération de gaz issu de la vaporisation de liquide saturé (« boil-off ») tout au long d'une chaîne de distribution. En effet, un liquide sous-refroidi soumis à des entrées thermiques parasites se réchauffe d'abord en restant en phase liquide avant de se vaporiser une fois le point d'ébullition atteint.
  • L'invention concerne ainsi notamment un liquéfacteur délivrant un liquide sous-refroidi pouvant être pas exemple de l'hydrogène, de l'hélium, du dioxyde de carbone, de l'air, de l'azote, de l'oxygène et/ou un mélange comportant certaines de ces molécules. Le sous refroidissement d'un fluide tel que l'hydrogène liquide coûte plus cher énergétiquement qu'un liquéfacteur livrant du liquide à saturation car le sous-refroidissement induit une température plus basse que la température de saturation (rendement par rapport à une machine idéale de Carnot).
  • L'invention concerne en particulier les applications telles que les unités de liquéfaction où une production sous-refroidie est requise. L'invention concerne notamment les installations pour liquéfier des composants avec une température de liquéfaction inférieure à -200°C car la liste des molécules utilisables est limitée (typiquement pour la liquéfaction de l'hydrogène ou de l'hélium).
  • Les unités de liquéfaction, en particulier les liquéfacteurs d'hydrogène, liquéfient généralement le gazeux par un processus en deux étapes: 1) Refroidissement et/ou liquéfaction du produit grâce à un ou plusieurs cycles de refroidissement en boucle fermée et 2) détente finale du produit à travers un système de détente jusqu'à une pression proche de la pression atmosphérique (typiquement de 15 à 30 ou 40 bara avant détente jusqu'à 1,5 à 3 bara après détente).
  • La composition du gaz de cycle de refroidissement de l'étape 1 est généralement soit proche du produit lui-même (généralement de l'hydrogène, typiquement à une teneur d'au moins 90 % en mole), soit un élément chimique plus léger (généralement plus de 20% en mole d'hélium). Dans le premier cas, le produit obtenu après la détente est généralement un liquide saturé tandis que dans le deuxième cas cela permet la production de liquide sous-refroidi.
  • Il est généralement préféré de produire du liquide sous-refroidi sans nécessiter l'utilisation d'un cycle de refroidissement final "léger" tel que décrit ci-dessus (car généralement plus coûteux et plus difficile à mettre en oeuvre).
  • Les unités de liquéfaction (par exemple, les unités produisant de l'azote liquéfié, de l'hydrogène liquéfié ou de l'hélium) sont alimentées par au moins un cycle en boucle fermée d'un fluide généralement composé du produit à liquéfier (avec une pureté jusqu'à 90 % en mole ou supérieure à 99% en mole). Le cycle de réfrigération et composé de compresseur(s), (turbo)détendeur(s) et détendeur(s) tel(s) que vanne(s) et/ou turbine(s).
  • L'étape finale du cycle de refroidissement est généralement assurée par une vanne de détente (Joule Thomson) produisant un liquide saturé à basse pression (proche de la pression ambiante, typiquement entre 0,05 à 0,2 MPaG). Ceci fixe le point bas de température du procédé.
  • Le gaz d'alimentation à refroidir/liquéfier est refroidi par le cycle de refroidissement par un échangeur de chaleur jusqu'à une température minimale supérieure au point bas de température précité en raison du différentiel de température entre l'entrée et la sortie d'un échangeur de chaleur assurant un échange de chaleur entre deux fluides (typiquement entre 0,5°C et 3 °C de différence).
  • Le gaz d'alimentation est ensuite détendu à travers une vanne Joule-Thomson jusqu'à une pression proche de la pression atmosphérique (typiquement proche ou égale à la basse pression du cycle de refroidissement). Le produit détendu est saturé et sa phase vapeur est séparée dans une cuve. Le liquide saturé est mis à disposition et le gaz saturé est recyclé dans le procédé. Diverses solutions existent pour cette détente finale : vanne de type Joule Thomson et/ou turbine pour détendre le produit à l'état liquide.
  • Cf. par exemple l'article "Integrated Design for Démonstration of Efficient Liquéfaction of Hydrogen (IDEALHY)" (authors K. Stolzenburg and R. Mubbala (Hydrogen Liquéfaction Report D3.16). Cf. également US2010272634A ou CN107014151 .
  • La production de liquide saturé apporte plusieurs limitations à l'utilisation du produit. Du gaz de vaporisation « flash » peut se former dans les canalisations de distribution en raison de la chute de pression et de l'entrée de chaleur. Ceci induit un écoulement diphasique dont les propriétés physiques complexifient la conception des circuiteries (risque accru de vibrations). Dans le cas d'une différence de pression hydrostatique élevée entre le point de production de liquide et le haut du réservoir de stockage de liquide, un gaz flash supplémentaire du produit peut être produit, augmentant la perte de produit liquide.
  • Une turbine de détente finale du gaz d'alimentation liquéfié permet un sous refroidissement suffisant pour éviter ou limiter le gaz de flash ou unité en marche réduite.
  • Cependant, lorsque cette turbine est indisponible (maintenance par exemple) son remplacement par une vanne de détente de secours ne permet pas d'atteindre aisément les conditions thermodynamiques requises en sortie du liquéfacteur.
  • Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.
  • A cette fin, l'installation selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractériséeen ce que la ligne d'échange thermique supplémentaire est configurée pour assurer cet échange thermique avec ledit échangeur de chaleur entre la détente réalisée par la première vanne de détente et la détente réalisée par la seconde vanne de détente, la ligne d'échange thermique supplémentaire étant située en amont ou, respectivement en aval de la détente réalisée par la première vanne de détente.
  • Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    • l'échangeur de chaleur en échange thermique avec la ligne d'échange thermique supplémentaire est l'échangeur d'extrémité de l'ensemble d'échangeur(s) de chaleur en série dont une sortie est reliée à l'entrée de la turbine de détente finale,
    • le circuit d'alimentation réalise deux passages distincts successifs dans l'échangeur d'extrémité de l'ensemble d'échangeur(s), la ligne d'échange thermique supplémentaire constituant l'un des deux passages,
    • le circuit d'alimentation comprend, disposés en série dans cet ordre d'amont en aval : un premier des deux passages dans l'échangeur d'extrémité, la seconde vanne de détente, le second des deux passages dans l'échangeur d'extrémité, la turbine de détente finale avec sa ligne de dérivation munie de la première vanne de détente, et la seconde extrémité,
    • le circuit d'alimentation comprend, disposés en série dans cet ordre d'amont en aval : un premier des deux passages dans l'échangeur d'extrémité, la turbine de détente finale avec sa ligne de dérivation munie de la première vanne de détente, le second des deux passages dans l'échangeur d'extrémité, la seconde vanne de détente et la seconde extrémité,
    • le circuit d'alimentation comprend, entre d'une part, la turbine de détente finale et sa ligne de dérivation et, d'autre part, le second des deux passages dans l'échangeur d'extrémité, une ligne de déviation configurée pour récupérer du fluide à la sortie de la turbine de détente finale sans passer par le second des deux passages dans l'échangeur d'extrémité,
    • l'installation est configurée pour produire de l'hydrogène liquéfié, le circuit d'alimentation comprenant au moins une section de catalyse configurée pour convertir de l'hydrogène ortho en hydrogène para, la section de catalyse étant située dans au moins un des deux passages dans l'échangeur d'extrémité, par exemple dans le premier passage et/ou en dehors de l'échangeur d'extrémité, à la sortie d'un des deux passages dans l'échangeur d'extrémité,
    • le circuit d'alimentation comprend une troisième vanne de détente, de préférence de type Joule Thomson, disposée en série avec les première et seconde vannes de détente,
    • la troisième vanne de détente est disposée en aval ou en amont de la première vanne de détente,
    • l'installation comprend un organe de régulation disposé à l'entrée de la turbine de détente finale et configuré pour réguler la pression et/ou de débit dans le circuit d'alimentation et/ou la vitesse de rotation de ladite turbine, la ligne de dérivation de la turbine de détente by-passant également cet organe de régulation,
    • l'installation comprend un système de commande configuré pour permettre de commuter l'installation dans un premier mode de fonctionnement dans lequel la ligne de dérivation est fermée et du fluide cryogénique liquéfié est produit via une détente dans la turbine de détente finale, et dans un deuxième mode de fonctionnement dans lequel la ligne de dérivation est ouverte et la turbine de détente finale est à l'arrêt et du fluide cryogénique liquéfié est produit via une double détente via les première vanne de détente et seconde vanne de détente et via un passage dans la ligne d'échange thermique supplémentaire.
  • L'invention concerne également un procédé de liquéfaction de gaz cryogénique, par exemple de l'hydrogène liquéfié, utilisant une installation de production comprenant un circuit d'alimentation de gaz d'alimentation comprenant une extrémité amont reliée à une source de gaz et une extrémité aval reliée à au moins un stockage cryogénique, l'installation comprenant un ensemble d'échangeur(s) de chaleur en échange thermique avec le circuit d'alimentation et au moins un dispositif de refroidissement en échange thermique avec tout ou partie de l'ensemble d'échangeur(s) de chaleur, le au moins un dispositif de refroidissement comprenant un réfrigérateur cryogénique à gaz de cycle comprenant au moins l'un parmi : de l'hélium, de l'hydrogène, du néon, de l'azote, de l'oxygène ou du méthane, l'extrémité aval du circuit d'alimentation comprenant, entre l'ensemble d'échangeur(s) de chaleur et la seconde extrémité une turbine de détente finale du gaz liquéfié, le procédé comprenant : une étape de refroidissement d'un flux de gaz d'alimentation circulant dans le circuit d'alimentation par échange thermique avec l'ensemble d'échangeur(s) de chaleur refroidi par le au moins un dispositif de refroidissement jusqu' à une température inférieure à la température critique du gaz d'alimentation ou inférieure à la température de bulle du gaz d'alimentation, et une étape de détente principale de ce flux de gaz d'alimentation refroidi et liquéfié dans la turbine de détente finale pour produire un flux liquide ayant une pression supérieure à la pression de saturation ou de bulle dudit gaz d'alimentation pour produire de préférence uniquement une phase entièrement liquide, ou bien une étape de détente de secours de ce flux de gaz d'alimentation refroidi dans la première vanne de détente et dans la seconde vanne de détente en by-passant la turbine de détente finale, et un refroidissement par échange thermique avec un échangeur de chaleur l'ensemble d'échangeur(s) de chaleur entre les détentes dans la première vanne de détente et la seconde vanne de détente.
  • Selon d'autres particularités possibles :
    • dans l'étape de détente principale, le rapport de pression du fluide entre l'amont et l'aval de la turbine de détente finale est compris entre cinq et vingt, préférentiellement entre cinq et dix,
    • dans l'étape de détente de secours, le flux de gaz d'alimentation refroidi est détendu dans la première vanne de détente ou dans la seconde vanne de détente avec un rapport de pression compris entre cinq et vingt et préférentiellement entre cinq et dix pour produite un fluide à l'état liquide en sortie de ladite vanne,
    • le procédé comporte deux passages successifs du flux de gaz d'alimentation dans un même échangeur de chaleur de l'ensemble d'échangeur(s) de chaleur qui est situé en amont de la turbine de détente finale,
    • le procédé comporte une étape de commutation entre l'étape de détente principale et l'étape de détente de secours, par exemple en fonction de l'état de marche ou d'arrêt de la turbine de détente finale,
    • le procédé comporte une étape de commutation de l'étape de détente principale vers l'étape de détente de secours durant laquelle le flux de gaz d'alimentation by-passe progressivement la turbine de détente finale et la fourniture de gaz d'alimentation refroidi vers la turbine de détente finale est interrompu et une perte de charge est générée par la seconde vanne de détente,
    • le gaz d'alimentation est de l'hydrogène et/ou de l'hélium, le dispositif de refroidissement comprenant un réfrigérateur à gaz de cycle comprenant de l'hydrogène et/ou de l'hélium,
    • le gaz d'alimentation est de l'hydrogène, le procédé comportant une étape de conversion de l'hydrogène ortho en hydrogène para dans et/ou en aval d'un passage dans un échangeur de chaleur de l'ensemble d'échangeurs,
    • le procédé comporte une étape de détente isenthalpique supplémentaire du gaz d'alimentation en aval de la turbine de détente finale avec un rapport de pression
    compris entre 1,05 et cinq, préférentiellement dans l'intervalle entre 1,3 et 2,7. L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : Brève description des figures
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
    • [Fig. 1] est une vue schématique et simplifiée illustrant la structure et le fonctionnement d'une installation de production de gaz liquéfié cryogénique selon un premier mode de réalisation,
    • [Fig. 2] est une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'une installation de production de gaz liquéfié cryogénique selon un second mode de réalisation,
    • [Fig. 3] est une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'une installation de production de gaz liquéfié cryogénique selon un troisième mode de réalisation.
    Description détaillée
  • Sur toutes les figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments.
  • Dans cette description détaillée, les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, cela ne signifie pas que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées et/ou interchangées pour fournir d'autres réalisations.
  • L'installation 1 de production de gaz liquéfié cryogénique représentée à la [Fig. 1] comprend un circuit 2 d'alimentation de gaz d'alimentation à refroidir (par exemple de l'hydrogène ou de l'hélium). Ce circuit 2 d'alimentation comprend une extrémité amont 21 destinée à être reliée à une source 123 de gaz (par exemple un électrolyseur ou tout autre source appropriée) et une extrémité aval 22 destinée à être reliée à au moins un stockage 18 cryogénique configuré pour collecter et stocker le gaz liquéfié.
  • L'installation 1 comprend un ensemble d'échangeur(s) 3, 4, 5, 6 de chaleur en échange thermique avec le circuit 2 d'alimentation et au moins un dispositif de refroidissement en échange thermique avec tout ou partie de l'ensemble d'échangeur(s) de chaleur.
  • Le au moins un dispositif de refroidissement est configuré pour produire une puissance froide qui est utilisée pour refroidir le gaz du circuit 2 d'alimentation de façon indirecte via le ou les échangeurs de chaleur.
  • Le au moins un dispositif de refroidissement comprend de préférence un réfrigérateur 9 cryogénique à gaz de cycle comprenant au moins l'un parmi : de l'hélium, de l'hydrogène, du néon, de l'azote, de l'oxygène ou du méthane.
  • Le dispositif 9 de refroidissement comprend de préférence un réfrigérateur à gaz de cycle comprenant de l'hydrogène et/ou de l'hélium. Le gaz de cycle peut être soumis classiquement à un cycle 8 thermodynamique comprenant une compression dans un mécanisme de compression (compresseur(s)) 7, un refroidissement du gaz comprimé (échangeur(s) de chaleur 3,4,5,6), une détente du gaz comprimé refroidi (turbine(s) 10 et/ou vanne(s)) 11 et un réchauffement du gaz détenu (échangeur(s) de chaleur 6,5,4,3). Comme illustré schématiquement, le circuit 8 de cycle peut comporter au moins un pot 12 séparateur de phase et/ou un système de type thermosiphon.
  • Comme illustré, l'installation 1 peut comporter en outre un dispositif 13 de refroidissement supplémentaire configuré pour assurer un pré-refroidissement du gaz du circuit 2 d'alimentation jusqu'à une température intermédiaire. Le réfrigérateur 9 cryogénique précité peut ainsi assurer le refroidissement de la température intermédiaire à la température finale de liquéfaction.
  • Le dispositif 13 de refroidissement supplémentaire (pré-refroidissement) peut comprendre une boucle de fluide froid (azote) ou un réfrigérateur à circuit de cycle dont le gaz de cycle est de l'azote, ou un mélange de gaz réfrigérants (« MR ») par exemple. L'installation 1 peut comprendre plus de deux dispositif de refroidissement.
  • Comme illustré, l'extrémité aval 22 du circuit 2 d'alimentation comprend, entre l'ensemble d'échangeurs 3, 4, 5, 6 de chaleur et la seconde extrémité 22 destinée à être reliée au stockage 18, une turbine 14 de détente finale configurée pour détendre le gaz d'alimentation refroidi à l'état liquide. C'est-à-dire que, en entrée de la turbine 14 de détente finale, le gaz d'alimentation a été amené sous forme liquide (pression inférieure à la pression critique et température inférieure à la température de saturation, la température de saturation définissant la température limite entre l'état liquide et l'état gazeux) ou est amené en entrée de la turbine 14 de détente finale sous forme supercritique dense (pression supérieure à la pression critique et température inférieure à la température critique).
  • En sortie de turbine 14 le fluide détendu est au moins en partie sous forme liquide.
  • Cette turbine 14 de détente finale est ainsi disposée en aval du dernier échangeur 6 de chaleur de l'ensemble d'échangeurs en série d'amont en aval.
  • Le circuit 2 d'alimentation comprend en outre une ligne 17 de dérivation de la turbine 14 de détente finale munie d'une première vanne 15 de détente, de préférence de type Joule Thomson.
  • Comme illustré, le circuit 2 d'alimentation peut comprendre un organe 23 de régulation disposé à l'entrée de la turbine 14 de détente finale et configuré pour réguler la pression et/ou de débit dans le circuit 2 et/ou la vitesse de rotation de ladite turbine 14. Cet organe 23 de régulation comprend ou est constitué par exemple d'une vanne. La ligne 17 de dérivation de la turbine 14 de détente by-passe de préférence également cet organe 23 de régulation de la pression et/ou de débit.
  • De plus, le circuit 2 d'alimentation comprend une seconde vanne 16 de détente, de préférence de type Joule Thomson disposée en série en amont de la première vanne 15 de détente et de la turbine 14 de détente finale. Le circuit 2 d'alimentation comprend également une ligne 61 d'échange thermique supplémentaire configurée pour assurer en échange thermique avec un échangeur 6 de chaleur de l'ensemble d'échangeur(s) de chaleur après le passage via la seconde vanne 16 de détente et avant le passage dans la turbine 14 de détente finale ou la première vanne 15 de détente. C'est-à-dire que la ligne 61 d'échange thermique supplémentaire est configurée pour assurer cet échange thermique avec ledit échangeur 6 de chaleur entre la détente réalisée par la seconde vanne 16 de détente et la détente réalisée par la première vanne 15 de détente.
  • La ligne 61 d'échange thermique supplémentaire est dans cet exemple située en amont de la détente réalisée par la première vanne 15 de détente.
  • Ainsi, selon cette architecture, lorsque la turbine 14 de détente finale est opérationnelle, cette turbine peut détendre le gaz liquéfié précédemment pour produire du liquide sous-refroidi.
  • Par exemple, lors d'une détente principale, le flux de gaz d'alimentation refroidi (typiquement de l'hydrogène) est détendu dans la turbine 14 de détente finale pour produire un flux liquide ayant une pression supérieure à la pression de saturation dudit gaz d'alimentation pour produire de préférence uniquement une phase entièrement liquide. Dans cette détente principale, le rapport de pression du fluide entre l'amont et l'aval de la turbine 14 de détente finale est compris de préférence entre cinq et vingt, préférentiellement entre cinq et dix.
  • Lorsque la turbine 14 de détente finale n'est pas disponible (maintenance par exemple), le liquide du circuit 2 d'alimentation, après sa détente dans la seconde vanne 16 de détente et passage dans la ligne 61 d'échange thermique supplémentaire est détendu la première vanne 15 de détente de la ligne de dérivation. Ceci produit un liquide sous-refroidi limitant le flash en aval.
  • Ainsi, lorsque la turbine 14 de détente finale est by-passée, la pression et/ou le débit peut être contrôlé par la seconde vanne 16 de détente entre les passages 60, 61 dans l'échangeur 6 d'extrémité (cas des [Fig. 1] et [Fig. 2]) ou par la vanne 15 (cas de la [Fig. 3]).
  • Par exemple, lors de cette détente de secours, le flux de gaz d'alimentation refroidi et détendu dans la seconde vanne 16 de détente subi ensuite un refroidissement par échange thermique avec l'échangeur 6 de chaleur puis est détendu dans la première vanne 15 de détente en by-passant la turbine 14 de détente finale.
  • Ceci permet de faire fonctionner l'installation sans la turbine 14 de détente finale tout en conservant des conditions thermodynamiques du liquide produit limitant le risque de vaporisation (flash).
  • Dans cette détente de secours, le flux de gaz d'alimentation refroidi est détendu dans la première vanne 15 de détente (et/ou dans la seconde vanne 16 de détente) avec un rapport de pression compris de préférence entre cinq et vingt et préférentiellement entre cinq et dix pour produire un fluide à l'état liquide en sortie.
  • Comme illustré, l'échangeur 6 de chaleur en échange thermique avec la ligne 6 d'échange thermique supplémentaire peut être l'échangeur 6 d'extrémité aval de l'ensemble d'échangeurs 3, 4, 5, 6 de chaleur en série dont une sortie est reliée à l'entrée de la turbine 14 de détente finale.
  • De plus, comme illustré, le circuit 2 d'alimentation peut réaliser deux passages 60, 61 distincts successifs dans le même échangeur 6 d'extrémité (deux lignes d'échanges distinctes), la ligne d'échange thermique supplémentaire constituant l'un 61 des deux passages. C'est-à-dire que le circuit 2 d'alimentation peut comprendre, disposés en série dans cet ordre d'amont en aval : un premier 60 des deux passages dans l'échangeur 6 d'extrémité, la seconde vanne 16 de détente, le second 61 des deux passages dans l'échangeur 6 d'extrémité, la turbine 14 de détente finale avec sa ligne 17 de dérivation munie de la première vanne 15 de détente et la seconde extrémité.
  • Le circuit 2 d'alimentation comprend de préférence au moins une section 20 de catalyse configurée pour convertir de l'hydrogène ortho en hydrogène para. Par exemple, la ou les sections 20 de catalyse sont configurées pour convertir majoritairement l'hydrogène en hydrogène Para (conversion Ortho vers Para), par exemple au-dessus de 80% ou au-dessus de 85% ou au-dessus de 95% par exemple 99% de Para à la sortie de la section 20 de catalyse.
  • Cette section 20 de catalyse peut être située dans au moins un des deux passages 60, 61 dans l'échangeur 6 d'extrémité, par exemple dans le premier 60 passage.
  • En outre, le circuit 2 d'alimentation peut comprendre une troisième vanne 24 de détente, de préférence de type Joule Thomson, disposé en série avec les première 15 et seconde 16 vannes de détente. Dans cet exemple cette troisième vanne 24 de détente est située en aval de la turbine 17 de détente finale et de la ligne 17 de dérivation. Cette troisième vanne 24 de détente permet une détente isenthalpique supplémentaire du gaz d'alimentation en aval de la turbine 14 de détente finale avec un rapport de pression compris de préférence entre 1,05 et cinq, préférentiellement dans l'intervalle entre 1,3 et 2.7.
  • Comme schématisé à la [Fig. 1], l'installation 1 peut comprendre un système 25 de commande configuré pour permettre de commuter l'installation 1 dans un premier mode de fonctionnement dans lequel la ligne 17 de dérivation est fermée et du fluide cryogénique liquéfié est produit via une détente dans la turbine 14 de détente finale ou dans un deuxième mode de fonctionnement dans lequel la ligne 17 de dérivation est ouverte et la turbine 14 de détente finale est à l'arrêt et du fluide cryogénique liquéfié est produit via une double détente via les seconde vanne 16 de détente et première vanne 15 de détente et via un passage dans la ligne 61 d'échange thermique supplémentaire. Le système 25 de commande peut comporter par exemple un organe électronique de commande comprenant un microprocesseur et configuré pour commander tout ou partie des vannes et en particulier une vanne permettant de by-passer la turbine 14 de détente finale au profit de la première vanne 15 de détente. Cette commutation peut être manuelle ou en réponse à un signal représentatif de l'état de marche de la turbine 14 de détente finale. Bien entendu, le système 25 de commande pourrait être au moins en partie manuel.
  • La commutation peut être activée par exemple manuellement, par exemple lors des phases transitoires comme des démarrages ou des arrêts de l'installation et/ou de manière automatique si la température du fluide à un point déterminé de l'installation est trop élevée. Par exemple, si la température en sortie du premier passage 60 (mesurée ou estimée ou déduite par une autre mesure reflétant cette température : par exemple une pression, un niveau et/ou une température au niveau d'un autre endroit du cycle de réfrigération) passe au-dessus d'un seuil déterminé.
  • Par exemple, dans le premier mode l'essentiel de la détente du fluide peut être réalisé dans la turbine 14 de détente finale et le reste de la détente peut être réalisé en aval de ladite turbine 14 (via la troisième vanne 24 de détente cf. [Fig. 1] et [Fig. 2] ou via la seconde vanne 16 de détente cf. [Fig. 3]). Ces détentes sont configurées pour produire un flux 100% liquide à la sortie de la turbine 14 de détente finale. Dans le mode de la [Fig. 3], l'essentiel de la détente pouvant être réalisé entre les deux passages 60 et 61
  • De préférence, lors de la commutation d'une détente principale vers une détente de secours, la première vanne 15 de détente st contrôlée pour by-passer progressivement la turbine 14 de détente finale avant d'interrompre la fourniture de gaz d'alimentation refroidi vers la turbine 14 de détente finale. Par exemple, une perte de charge est générée par la seconde vanne 16 de détente. La commutation est réalisée de préférence en moins de 10min.
  • Par exemple, lorsque la turbine 14 de détente finale est mise à l'arrêt, l'installation 1 peut commander d'abord l'ouverture de la ligne 17 de by-pass de la turbine 14 et peut fermer la vanne 23 située à l'entrée de la turbine 14. Puis, puis progressivement la première vanne 15 de détente est ouverte et la perte de charge est contrôlée (créée) par la vanne 24 par exemple.
  • Le mode de réalisation de la [Fig. 2] se distingue du mode de réalisation précédemment décrit uniquement en ce que la section 20 de catalyse est située à la sortie du premier passage 60 dans l'échangeur 6 de chaleur d'extrémité (dans une cuve en amont de la seconde vanne 16 de détente). La conversion se fait alors à l'extérieur de l'échangeur dans une cuve 20 dans laquelle est placé le catalyseur. Cette conversion adiabatique est également exothermique (comme la conversion continue). Le fluide s'est donc échauffé dans la cuve 20 et repasse dans l'échangeur 6 de chaleur d'extrémité pour être refroidi (dans le deuxième passage 61).
  • Dans le mode de réalisation de la [Fig. 3] le circuit 2 d'alimentation comprend, disposés en série dans cet ordre d'amont en aval : un premier 60 des deux passages dans l'échangeur 6 de chaleur d'extrémité, la troisième vanne 24 de détente, la turbine 14 de détente finale avec sa ligne 17 de dérivation munie de la première vanne 15 de détente, le second 61 des deux passages dans l'échangeur 6 d'extrémité puis la seconde vanne 16 de détente et la seconde extrémité 22. Dans ce mode de réalisation, la troisième vanne 24 de détente peut également être omise et sa fonction peut dans ce cas être assurée par la première vanne 15 de détente.
  • Dans cette configuration, le fluide du circuit 2 d'alimentation peut être refroidi et liquéfié (ou densifié s'il est à une pression supérieure à la pression critique du composant) par échange thermique indirect avec le réfrigérateur 9 dans l'échangeur de chaleur 6 lors du premier passage 60. Ce flux froid d'alimentation en phase dense liquide ou supercritique est ensuite détendu à travers la turbine 14 de détente finale jusqu'à une pression suffisamment élevée pour empêcher la production d'une phase vapeur dans le flux en sortie. Le fluide détendu par la turbine 14 est entièrement liquide. De préférence en amont de la turbine 14 de détente finale, une vanne 23 (par exemple une vanne de laminage) peut être utilisée pour contrôler la vitesse de rotation de la turbine 17 de détente finale.
  • Comme illustré, le circuit 2 de d'alimentation peut comprendre, entre d'une part, la sortie de la turbine 14 de détente finale et de sa ligne 17 de dérivation et, d'autre part, le second 61 des deux passages dans l'échangeur 6 d'extrémité, une ligne 19 de déviation configurée pour permettre de récupérer du fluide directement à la sortie de la turbine 14 de détente finale (ou de la dérivation), c'est-à-dire sans passer par le second 61 des deux passages dans l'échangeur 6 d'extrémité (cf. [Fig. 3].
  • Le flux produit à la sortie de la turbine 14 de détente finale (ou de la dérivation) peut être soit directement mis à disposition via la ligne 19 de déviation, soit renvoyé dans un échangeur 16 de chaleur (généralement le même échangeur de chaleur comme illustré) pour être davantage refroidi et stocké (après la détente dans la seconde vanne 16 de détente). Par exemple, une partie du fluide produit à la sortie de la turbine 14 de détente finale est envoyé dans cette ligne 19 de dérivation, le reste du flux étant envoyé dans le second passage 61.
  • La pression du flux en sortie de turbine 14 de détente finale (ou de la ligne 17 de dérivation) peut être configurée à une pression suffisamment élevée pour empêcher la production d'une phase vapeur dans le flux 4 devant entrer à nouveau dans l'échangeur de chaleur 6 pour le deuxième passage.
  • Les taux de détente des première 15 et seconde 16 vannes de détente (c'est-à-dire la pression intermédiaire en amont de la seconde vanne 16 de détente) peuvent être ajustés pour empêcher (ou limiter) la production d'une phase vapeur dans le flux qui réalise le deuxième passage 61 dans l'échangeur 6 de chaleur. Ceci simplifie la conception de l'injection de ce flux dans l'échangeur 6 de chaleur (pas besoin de vase séparateur de phase et/ou d'un système d'injection biphasique).
  • Le refroidissement final par échange de chaleur indirect du flux lors du second passage 61 permet de toujours contrôler la température du produit liquide final. La vanne 16, 24 en aval permet de détendre le fluide à une pression proche (compte tenu de la chute de pression le long des conduites et de l'équipement) de la pression de fonctionnement du stockage de liquide qui va recevoir le liquide.
  • La première vanne 15 de détente permet ainsi un fonctionnement en secours sans la turbine 14 de détente finale tout en maîtrisant la température de refoulement grâce à l'étape finale de refroidissement du flux. Cette solution permet l'utilisation d'une turbine 14 de détente finale sans risquer de mettre en péril la disponibilité de l'installation 1 en cas d'un éventuel dysfonctionnement ou indisponibilité de la turbine 14. Le dernier échange de chaleur (deuxième passage 61) peut être réalisé au moins en partie avec le même fluide frigorifique que le refroidissement du flux gazeux principal de procédé.
  • Les conditions thermodynamiques (température et pression) du liquide produit via la turbine 14 de détente finale ou via la ligne 17 de dérivation peuvent être similaires.
  • La pression en sortie de la turbine 14 de détente finale peut être ajustée par la vanne 16, 24 de détente dédiée en amont ou en aval pour protéger la turbine de toute production de phase vapeur.
  • En particulier, la troisième vanne 24 de détente ([Fig. 1] et [Fig. 2] ou vanne 16 à la [Fig. 3]) peut être contrôlée pour assurer une contre-pression en aval de la turbine 14 pour éviter des vaporisations (flash) en particulier lors du by-pass de la turbine 14 de détente finale. Cette vanne 24 peut être configurée pour assurer une pression minimale acceptable en sortie de la turbine 14.
  • La pression du fluide à la sortie de la turbine 14 de détente finale peut être par exemple maintenue à un niveau de pression supérieur de 0,1 à quelques bars par rapport à la pression de saturation du fluide.
  • L'installation peut comprendre un capteur de mesure de la pression de refoulement à la sortie de la turbine 14 de détente finale et l'installation peut être configurée pour réguler la pression du fluide à la sortie de la turbine 14 de détente finale en fonction de la pression mesurée. L'installation peut comprendre un capteur de mesure de la température du fluide à la sortie et/ou à l'entrée de la turbine de détente finale, la régulation de la pression de refoulement étant réalisée en fonction de la température mesurée.
  • La température du fluide en sortie de la turbine 14 de détente finale peut être comprise entre 15 et 30K, de préférence entre 20 et 25K.
  • Par vanne de détente de type Joule Thomson on entend par exemple un élément de détente isenthalpique dont la section de passage peut être agrandie ou rétrécie. C'est-à-dire que le fluide peut se réchauffer ou se refroidir dans cette vanne selon ses conditions de température et pression d'entrée et les caractéristiques du gaz (notamment sa courbe d'inversion de température, dans le cas notamment de l'hydrogène).

Claims (17)

  1. Installation de production de gaz liquéfié cryogénique, configurée pour produire de l'hydrogène liquéfié, comprenant un circuit (2) d'alimentation de gaz d'alimentation à refroidir, le circuit (2) d'alimentation comprenant une extrémité amont (21) destinée à être reliée à une source (123) de gaz et une extrémité aval (22) destinée à être reliée à au moins un stockage (18) cryogénique configuré pour collecter et stocker du gaz liquéfié, l'installation (1) comprenant un ensemble d'échangeur(s) (3, 4, 5, 6) de chaleur en échange thermique avec le circuit (2) d'alimentation, l'installation (1) comprenant au moins un dispositif (9, 13) de refroidissement en échange thermique avec tout ou partie de l'ensemble d'échangeur(s) (3, 4, 5, 6) de chaleur, le au moins un dispositif (9, 13) de refroidissement comprenant un réfrigérateur (9) cryogénique à gaz de cycle comprenant au moins l'un parmi : de l'hélium, de l'hydrogène, du néon, de l'azote, de l'oxygène ou du méthane, l'extrémité aval (22) du circuit (2) d'alimentation comprenant, entre l'ensemble d'échangeur(s) (3, 4, 5, 6) de chaleur et la seconde extrémité (22) destinée à être reliée au stockage (18), une turbine (14) de détente finale configurée pour détendre le gaz d'alimentation qui est à l'état liquide à l'entrée de ladite turbine (14), le circuit (2) d'alimentation comprenant en outre une ligne (17) de dérivation de la turbine (14) de détente finale munie d'une première vanne (15) de détente, de préférence de type Joule Thomson, le circuit (2) d'alimentation comprenant une seconde vanne (16) de détente, de préférence de type Joule Thomson disposée en série en amont ou, respectivement, en aval de la première vanne (15) de détente et de la turbine (14) de détente finale, le circuit (2) d'alimentation comprenant une ligne (61) d'échange thermique supplémentaire configurée pour assurer en échange thermique avec un échangeur (6) de chaleur de l'ensemble d'échangeur(s) (3, 4, 5, 6) de chaleur lorsque le gaz d'alimentation est détendu par la première vanne (15) de détente via la ligne (17) de dérivation, caractérisée en ce que la ligne (61) d'échange thermique supplémentaire est configurée pour assurer cet échange thermique avec ledit échangeur (6) de chaleur entre la détente réalisée par la première vanne (15) de détente et la détente réalisée par la seconde vanne (16) de détente, la ligne (61) d'échange thermique supplémentaire étant située en amont ou, respectivement en aval de la détente réalisée par la première vanne (15) de détente et en ce que l'échangeur (6) de chaleur en échange thermique avec la ligne (61) d'échange thermique supplémentaire est l'échangeur (6) d'extrémité de l'ensemble d'échangeur(s) (3, 4, 5, 6) de chaleur en série dont une sortie est reliée à l'entrée de la turbine (14) de détente finale et en ce que le circuit (2) d'alimentation réalise deux passages (60, 61) distincts successifs dans l'échangeur (6) d'extrémité de l'ensemble d'échangeur(s) (3, 4, 5, 6), la ligne d'échange thermique supplémentaire constituant l'un (61) des deux passages.
  2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit (2) d'alimentation comprend, disposés en série dans cet ordre d'amont en aval : un premier (60) des deux passages dans l'échangeur (6) d'extrémité, la seconde vanne (16) de détente, le second (61) des deux passages dans l'échangeur (6) d'extrémité, la turbine (14) de détente finale avec sa ligne (17) de dérivation munie de la première vanne (15) de détente, et la seconde extrémité (22).
  3. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit (2) d'alimentation comprend, disposés en série dans cet ordre d'amont en aval : un premier (60) des deux passages dans l'échangeur (6) d'extrémité, la turbine (14) de détente finale avec sa ligne (17) de dérivation munie de la première vanne (15) de détente, le second (61) des deux passages dans l'échangeur (6) d'extrémité, la seconde vanne (16) de détente et la seconde extrémité (22).
  4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que le circuit (2) d'alimentation comprend, entre d'une part, la turbine (14) de détente finale et sa ligne (17) de dérivation et, d'autre part, le second (61) des deux passages dans l'échangeur (6) d'extrémité, une ligne (19) de déviation configurée pour récupérer du fluide à la sortie de la turbine (14) de détente finale sans passer par le second (61) des deux passages dans l'échangeur (6) d'extrémité.
  5. Installation selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, configurée pour produire de l'hydrogène liquéfié, caractérisée en ce que le circuit (2) d'alimentation comprend au moins une section (20) de catalyse configurée pour convertir de l'hydrogène ortho en hydrogène para, la section (20) de catalyse étant située dans au moins un (60) des deux passages (60, 61) dans l'échangeur (6) d'extrémité, par exemple dans le premier (60) passage et/ou en dehors de l'échangeur (6) d'extrémité, à la sortie d'un des deux passages (60, 61) dans l'échangeur (6) d'extrémité.
  6. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le circuit (2) d'alimentation comprend une troisième vanne (24) de détente, de préférence de type Joule Thomson, disposée en série avec les première (15) et seconde (16) vannes de détente.
  7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que la troisième vanne (24) de détente est disposée en aval ou en amont de la première vanne (15) de détente.
  8. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend un organe (23) de régulation disposé à l'entrée de la turbine (14) de détente finale et configuré pour réguler la pression et/ou le débit dans le circuit (2) d'alimentation et/ou la vitesse de rotation de ladite turbine (14), la ligne (17) de dérivation de la turbine (14) de détente by-passant également cet organe (23) de régulation.
  9. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend un système (25) de commande configuré pour permettre de commuter l'installation (1) dans un premier mode de fonctionnement dans lequel la ligne (17) de dérivation est fermée et du fluide cryogénique liquéfié est produit via une détente dans la turbine (14) de détente finale, et dans un deuxième mode de fonctionnement dans lequel la ligne (17) de dérivation est ouverte et la turbine (14) de détente finale est à l'arrêt et du fluide cryogénique liquéfié est produit via une double détente via les première vanne (15) de détente et seconde vanne (16) de détente et via un passage dans la ligne (60) d'échange thermique supplémentaire.
  10. Procédé de liquéfaction d'hydrogène, utilisant une installation de production comprenant un circuit (2) d'alimentation de gaz d'alimentation comprenant une extrémité amont (21) reliée à une source (123) de gaz et une extrémité aval (22) reliée à au moins un stockage (18) cryogénique, l'installation (1) comprenant un ensemble d'échangeur(s) (3, 4, 5,6) de chaleur en échange thermique avec le circuit (2) d'alimentation et au moins un dispositif (9, 13) de refroidissement en échange thermique avec tout ou partie de l'ensemble d'échangeur(s) (3, 4, 5, 6) de chaleur, le au moins un dispositif (9, 13) de refroidissement comprenant un réfrigérateur (9) cryogénique à gaz de cycle comprenant au moins l'un parmi : de l'hélium, de l'hydrogène, du néon, de l'azote, de l'oxygène ou du méthane, l'extrémité aval (22) du circuit (2) d'alimentation comprenant, entre l'ensemble d'échangeur(s) (3, 4, 5, 6) de chaleur et la seconde extrémité (22) une turbine (14) de détente finale du gaz liquéfié, le procédé comprenant :
    - une étape de refroidissement d'un flux de gaz d'alimentation circulant dans le circuit (2) d'alimentation par échange thermique avec l'ensemble d'échangeur(s) (3, 4, 5, 6) de chaleur refroidi par le au moins un dispositif (9, 13) de refroidissement jusqu'à une température inférieure à la température critique du gaz d'alimentation ou inférieure à la température de bulle du gaz d'alimentation, et
    - une étape de détente principale de ce flux de gaz d'alimentation refroidi et liquéfié dans la turbine (14) de détente finale pour produire un flux liquide ayant une pression supérieure à la pression de saturation ou de bulle dudit gaz d'alimentation pour produire de préférence uniquement une phase entièrement liquide, ou bien
    - une étape de détente de secours de ce flux de gaz d'alimentation refroidi dans une première vanne (15) de détente et dans la seconde vanne (16) de détente en by-passant la turbine (14) de détente finale, et un refroidissement par échange thermique avec un échangeur (6) de chaleur de l'ensemble d'échangeur(s) (3, 4, 5, 6) de chaleur entre les détentes dans la première vanne (15) de détente et la seconde vanne (16) de détente, le procédé comportant deux passages (60, 61) successifs du flux de gaz d'alimentation dans un même échangeur (6) de chaleur de l'ensemble d'échangeur(s) (3, 4, 5, 6) de chaleur qui est situé en amont de la turbine (14) de détente finale
  11. Procédé de liquéfaction selon la revendication 10, caractérisé en ce que, dans l'étape de détente principale, le rapport de pression du fluide entre l'amont et l'aval de la turbine (14) de détente finale est compris entre cinq et vingt, préférentiellement entre cinq et dix.
  12. Procédé de liquéfaction selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que, dans l'étape de détente de secours, le flux de gaz d'alimentation refroidi est détendu dans la première vanne (15) de détente ou dans la seconde vanne (16) de détente avec un rapport de pression compris entre cinq et vingt et préférentiellement entre cinq et dix pour produite un fluide à l'état liquide en sortie de ladite vanne.
  13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de commutation entre l'étape de détente principale et l'étape de détente de secours, par exemple en fonction de l'état de marche ou d'arrêt de la turbine (14) de détente finale.
  14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de commutation de l'étape de détente principale vers l'étape de détente de secours durant laquelle le flux de gaz d'alimentation by-passe progressivement la turbine (14) de détente finale et la fourniture de gaz d'alimentation refroidi vers la turbine (14) de détente finale est interrompu (23) et une perte de charge est générée par la seconde vanne (16) de détente.
  15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que le gaz d'alimentation est de l'hydrogène et/ou de l'hélium, le dispositif (9, 13) de refroidissement comprenant un réfrigérateur à gaz de cycle comprenant de l'hydrogène et/ou de l'hélium.
  16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 15, caractérisé en ce que le gaz d'alimentation est de l'hydrogène, le procédé comportant une étape de conversion de l'hydrogène ortho en hydrogène para dans et/ou en aval d'un passage dans un échangeur (6) de chaleur de l'ensemble d'échangeurs.
  17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 16, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de détente (24) isenthalpique supplémentaire du gaz d'alimentation en aval de la turbine (14) de détente finale avec un rapport de pression compris entre 1,05 et cinq, préférentiellement dans l'intervalle entre 1,3 et 2,7.
EP24172486.3A 2024-04-25 2024-04-25 Installation et un procédé de réfrigération d'un fluide à température cryogénique Pending EP4641123A1 (fr)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20100272634A1 (en) 2009-04-23 2010-10-28 Joseph Michael Schwartz Hydrogen liquefaction method and liquefier
CN107014151A (zh) 2017-06-01 2017-08-04 成都深冷液化设备股份有限公司 一种氢气液化的装置及方法
FR3138194A1 (fr) * 2022-07-21 2024-01-26 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Installation et procédé de liquéfaction d’hydrogène

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