FR2675891A1 - Procede de production d'azote liquide en utilisant un gaz naturel liquefie comme seul refrigerant. - Google Patents

Procede de production d'azote liquide en utilisant un gaz naturel liquefie comme seul refrigerant. Download PDF

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Abstract

Un procédé pour la liquéfaction d'un courant d'azote produit par une unité de séparation d'air cryogénique. Le gaz naturel liquide (GNL) froid est utilisé comme réfrigérant. La température du GNL en vaporisation est maintenue à une valeur inférieure à la température critique du courant d'azote à liquéfier. Le procédé comprend les opérations consistant à comprimer le courant d'azote à au moins 24,607 Kg/cm2 (350 psi) dans un compresseur à étages multiples dans lequel le refroidissement intermédiaire est assuré par échange thermique contre la vaporisation du GNL. La poursuite du refroidissement et de l'évaporation éclair d'une portion du courant d'azote liquide sert à produire une quantité d'azote liquide exempte de contamination par hydrocarbure et convenant au recyclage dans l'unité de séparation d'air.

Description

i
PROCEDE DE PRODUCTION D'AZOTE LIQUIDE EN UTILISANT UN GAZ
NATUREL LIQUEFIE COMME SEUL REFRIGERANT
La présente invention se rapporte à un procédé pour la liquéfaction d'un courant d'azote obtenu par une unité de séparation d'air par distillation cryogénique au moyen d'une
source de réfrigération perfectionnée notamment en vapori-
sant du gaz naturel liquéfié (GNL) pour produire de l'azote liquéfié. La séparation de l'air pour produire de l'oxygène, de l'azote, de l'argon et d'autres matières s'effectue par
distillation à basse pression afin d'obtenir une conserva-
tion de l'énergie On sait que la source de réfrigération obtenue par le gaz naturel liquéfié (GNL) peut être utilisée
pour refroidir l'air d'alimentation et/ou comprimer les com-
posants gazeux.
Lorsque l'acheminement par gazoducs est irréalisa-
ble, le gaz naturel est en principe liquéfié et transporté sous forme de liquide en grande quantité Au niveau du port
de réception, ce gaz naturel liquéfié (GNL) doit être vapo-
risé et chauffé jusqu'aux températures ambiantes Il est
fortement souhaité d'utiliser efficacement cette réfrigéra-
tion au moment de la vaporisation Il est de plus en plus courant de construire des installations de séparation d'air comportant des liquéfacteurs qui font appel à la source de
réfrigération disponible à partir de la vaporisation du GNL.
Un projet efficace qui utilise judicieusement la source de réfrigération disponible à partir du GNL pour produire des produits liquides à partir de l'air peut entraîner des économies importantes en matière d'énergie et de coûts d'investissements. Plusieurs publications décrivent la production d'azote liquide par échange thermique indirect contre la vaporisation du GNL Etant donné que la température la plus froide du GNL est de façon typique au-dessus de -162 C (-2600 F), l'azote doit se situer à une pression supérieure à la pression ambiante pour être condensé étant donné que le point d'ébullition normal de l'azote est de -1950 C (-3200 F) En principe, pour condenser aux températures d'environ -162 o C (-2600 F), il faut comprimer l'azote jusqu'à plus de 15,818 Kg/cm 2 pression absolue ( 225 pression absolue en psi) La compression de l'azote avant sa condensation par échange thermique avec le GNL est l'une des principales sources de consommation d'énergie dans la production d'un
produit d'azote liquide.
Le brevet US no 3 886 758 décrit un procédé dans lequel un courant d'azote est comprimé à une pression
d'environ 15 atm 15,537 Kg/cm 2 pression absolue ( 221 pres-
sion absolue en psi) puis condensé par échange thermique contre vaporisation de GNL Etant donné que la totalité de l'azote gazeux n'est pas prérefroidie contre le gaz naturel de réchauffement avant la compression, la quantité d'énergie
requise pour le compresseur d'azote est très élevée.
La demande de brevet RU N O 1 520 581 décrit un procédé d'utilisation de la capacité de réfrigération
excédentaire dans le cadre d'une installation de liquéfac-
tion de gaz naturel pour produire du GNL supplémentaire, de façon plus précise pour fournir la réfrigération en vue de la liquéfaction de l'azote Dans le procédé, le gaz d'azote à liquéfier provenant de l'installation de séparation d'air
est comprimé sans aucun prérefroidissement avec du GNL.
Yamanouchi et Nagasawa (Chemical Eng Progress, pp 78, July 1979) décrivent un autre procédé d'utilisation de réfrigération GNL pour la séparation d'air Là encore, l'azote à environ 5,2 atm est comprimé jusqu'à environ 31 atm sans aucun prérefroidissement En outre, dans ce document, le GNL est vaporisé dans l'échangeur de chaleur de GNL à une valeur proche de la pression ambiante 1,054 Kg/cm 2
pression absolue ( 15 pression absolue en psi).
Le brevet RU 1 376 678 enseigne que l'évaporation du GNL à une pression proche de la pression atmosphérique s'avère inefficace étant donné qu'il faut introduire le gaz
naturel vaporisé dans un gazoduc de distribution à une pres-
sion lui permettant de parvenir à sa destination, c'est-à-
dire à la pression de transport Cette pression de transport
est de loin supérieure à la pression atmosphérique ne dépas-
sant habituellement pas 70 atm 72,344 Kg/cm 2 ( 1029 psi).
Par conséquent, si le GNL est vaporisé à la pression atmos-
phérique, une quantité considérable d'énergie est alors requise pour recomprimer le gaz vaporisé à sa pression de transport Par conséquent, dans le brevet RU 1 376 678, le GNL est d'abord pompé à la pression souhaitée, puis il est vaporisé Malheureusement, le procédé de récupération de l'énergie de réfrigération enseigné dans ce brevet est inefficace étant donné que l'on ne récupère pas la totalité de l'énergie de réfrigération disponible à partir du GNL et le gaz naturel vaporisé quittant l'échangeur de chaleur de
GNL est encore très froid -1090 C (-1650 F) Cette récupéra-
tion incomplète de réfrigération implique pour ce procédé, des quantités importantes de GNL pour produire la quantité
souhaitée d'azote liquide (NIL).
La publication du brevet japonais N O 52-37596 ( 1977) enseigne la vaporisation de GNL basse pression contre un courant d'azote à pression élevée qui est obtenu directement à partir d'une colonne de distillation qui fonctionne à pression élevée Dans ce procédé, une partie seulement du GNL est vaporisée contre l'azote de condensation et le reste du GNL est vaporisé dans les autres échangeurs de chaleur; il s'agit d'une utilisation inefficace de l'énergie de réfrigération du GNL Le gaz naturel vaporisé est alors comprimé. Le brevet US no 3 857 251 décrit un procédé pour la production d'azote liquide par extraction de l'azote à partir des vapeurs provenant de l'évaporation du GNL dans des réservoirs de stockage L'azote gazeux est comprimé dans un compresseur à plusieurs étages avec un refroidissement intermédiaire entre les étages fourni par l'eau, l'air, le
propane, l'ammoniac ou des hydrocarbures fluorés.
La publication du brevet japonais 46-20123 ( 1971) enseigne la compression à froid d'un courant d'azote qui a été refroidi par vaporisation du GNL Seul un étage unique de la compression d'azote est utilisé Il s'ensuit que l'on ne parvient pas à une utilisation efficace de l'énergie
froide du GNL qui se vaporise sur une vaste plage de tempé-
ratures. La publication du brevet japonais 53-15993 ( 1978) enseigne l'utilisation de la réfrigération du GNL pour l'azote à pression élevée qui est prélevé de la colonne haute pression d'un système de distillation à air à double colonne L'azote est comprimé à froid dans un compresseur à étages multiples mais sans refroidissement intermédiaire
avec le GNL.
Le brevet allemand n' 2 307 004 décrit un procédé pour la récupération de la réfrigération de GNL pour produire de l'azote liquide Le gaz d'azote provenant de l'extrémité chaude d'une installation de séparation d'air cryogénique est proche de la pression ambiante et de la température ambiante Cet azote d'alimentation est comprimé, sans aucun refroidissement de GNL, dans un compresseur à étages multiples Une portion de ce gaz comprimé est partiellement refroidie contre le GNL et elle est mise en expansion dans un expanseur pour créer une réfrigération à faible niveau L'autre portion de l'azote comprimé est comprimée à froid et condensée par échange thermique contre le courant d'azote expansé Le gaz expansé est chauffé et
recomprimé à une pression intermédiaire puis amené au com-
presseur d'alimentation d'azote fonctionnant à une tempéra-
ture d'entrée proche de la température ambiante Il est clair que la plus grande partie du travail de compression de l'azote s'effectue dans des compresseurs à une température d'entrée proche de la température ambiante et que dans ces
compresseurs, il n'est prévu aucun refroidissement inter-
médiaire avec le GNL.
Les brevets US no 4 054 433 et N O 4 192 662 ensei-
gnent des procédés dans lesquels on fait appel à un fluide
en recirculation en boucle fermée pour transférer la réfri-
gération provenant de la vaporisation du GNL à un courant d'azote de condensation Dans le brevet US no 4 054 433, un mélange de méthane, d'azote, d'éthane ou d'éthylène et de
C 3 + est utilisé pour équilibrer les courbes de refroidisse-
ment dans les échangeurs de chaleur L'azote gazeux prove-
nant de la colonne haute pression (pression plus ou moins égale à 6, 2 atm) est liquéfié sans aucune compression supplémentaire Cependant, une fraction importante de l'azote est produite à une pression proche de la pression
ambiante à partir d'un appareil de distillation d'air clas-
sique à double colonne Sa liquéfaction efficace nécessi-
terait un procédé pour comprimer pratiquement ce courant
d'azote, lequel n'est pas suggéré dans ce brevet US.
Dans le brevet US no 4 192 662, on fait appel à des hydrocarbures fluorés ou fluorocarbones comme fluide de recirculation dans lesquels celui-ci est refroidi contre une portion du GNL de vaporisation, puis utilisé pour refroidir des courants d'azote à basse jusqu'à moyenne pression Ce
dispositif présente certains problèmes et/ou inefficacité.
Les pertes d'énergie dues à la recirculation des hydrocar-
bures fluorés sont importantes; il faut utiliser des échan-
geurs de chaleur supplémentaires ainsi qu'une pompe De plus, l'utilisation d'hydrocarbures fluorés présente des implications négatives pour l'environnement et l'utilisation
d'autres fluides de remplacement s'avère onéreuse.
La publication du brevet japonais 58-150786 ( 1983) et de la demande de brevet européenne O 304 355-Al, ( 1989) enseignent l'utilisation d'un recyclage de gaz inerte tel
que de l'azote ou de l'argon pour transférer la réfrigéra-
tion à partir du GNL à une unité de séparation d'air Dans cet agencement, le courant de gaz inerte à haute pression est liquéfié avec le gaz naturel puis revaporisé dans un échangeur de chaleur de recyclage pour refroidir un courant de recyclage inerte basse pression provenant de l'unité de séparation d'air Le courant de recyclage de gaz inerte basse température refroidi est comprimé à froid et une portion de celui-ci est mélangée au courant d'azote haute pression vaporisé à chaud Le courant mélangé est liquéfié contre le GNL et alimenté à l'unité de séparation d'air pour fournir la réfrigération nécessaire puis il est renvoyé depuis l'unité de séparation d'air sous forme de courant de recyclage chaud à pression inférieure Une autre portion du
courant comprimé à froid est liquéfiée avec échange thermi-
que contre le GNL et forme le courant à vaporiser dans l'échangeur de chaleur de recyclage Ces agencements sont
inefficaces Par exemple, la totalité des fluides de recir-
culation est comprimée à froid dans un compresseur avec
aucun refroidissement intermédiaire avec le GNL.
Selon la présente invention, il est enseigné un procédé pour la liquéfaction d'un courant d'azote qui est normalement produit dans une unité de séparation d'air cryogénique ayant au moins une colonne de distillation Le procédé comprend les étapes consistant à comprimer les courants d'azote gazeux d'entrée à partir de l'unité de séparation d'air à une pression d'au moins 24,600 Kg/cm 2 ( 350 psi) dans un compresseur multiétages dans lequel le refroidissement intermédiaire est assuré par l'échange thermique contre un gaz naturel liquéfié de vaporisation (GNL), faisant office de réfrigérant unique Le courant d'azote comprimé est condensé par échange thermique contre le GNL de vaporisation, puis on réduit la pression du courant d'azote comprimé condensé, ce qui permet de produire un courant d'azote en deux phases Le courant d'azote en deux phases subit une séparation de phase dans un premier courant d'azote liquide et un premier courant de vapeur d'azote, le réchauffement de ce dernier servant à récupérer
la réfrigération.
Dans un mode de réalisation préféré, un sous refroidissement supplémentaire du courant d'azote condensé s'effectue avant de réduire la pression du courant d'azote condensé par échange thermique contre le courant de vapeur d'azote réchauffé Dans un autre mode de réalisation, le courant de vapeur d'azote réchauffé est recyclé sur un étage intermédiaire du compresseur à étages multiples Dans un autre mode de réalisation, la réduction précitée de pression
du courant d'azote comprimé condensé s'effectue par expan-
sion de ce courant condensé dans un expanseur de fluide dense.
Dans une dernière étape du premier mode de réalisa-
tion, une portion du premier courant d'azote liquide est soumise à une évaporation éclair puis à un échange thermique contre un courant d'azote sous pression, ce qui permet de
produire une quantité d'azote liquide exempte de contamina-
tion par les hydrocarbures Cet azote liquide convient au recyclage à destination de l'unité de séparation d'air pour
la production d'oxygène liquide.
Dans encore un autre mode de réalisation, le courant d'azote liquide en phase séparée est de plus sous-refroidi pour réduire la pression du courant d'azote sous-refroidi, ce qui permet de produire un second courant d'azote à deux phases, ce dernier étant soumis à une séparation de phase en
second courant de produit liquide et de vapeur d'azote, com-
prenant le sous refroidissement du premier courant d'azote liquide contre le réchauffement du second courant de vapeur d'azote. Cette invention s'applique à la liquéfaction d'autres composants gazeux tels qu'à celle de l'argon ainsi
que de l'azote préféré Ces gaz peuvent être soit directe-
ment refroidis en utilisant le procédé de la présente invention, soit on peut vaporiser de l'azote déjà liquéfié
pour fournir de l'oxygène liquide et/ou de l'argon liquide.
Un courant gazeux constitué par l'oxygène, l'argon et
l'azote pourrait également être liquéfié par ce procédé.
Des aspects importants du présent procédé concernent
la suppression du fluide de recirculation tel que les hydro-
carbures f luorés, ce qui simplifie les canalisations et équipements d'échange thermique et évite les coûts de cette recirculation de fluide ainsi que les problèmes fréquents liés à l'environnement, notamment la détérioration de la couche d'ozone dans l'atmosphère Une caractéristique en variante comprend un expanseur de fluide dense pour fournir une certaine quantité de réfrigération ajoutée au courant de prélèvement du produit (azote) froid haute pression Par exemple, une portion de l'azote liquide est prélevée du premier séparateur et mise en évaporation éclair dans un second séparateur avec l'azote liquide obtenu amené au stockage de produit La vapeur d'azote provenant du second séparateur sert à refroidir les autres courants d'azote
comprimés.
On va maintenant décrire l'invention en se référant au dessin dans lequel: la figure 1 est un schéma général d'un procédé connu dans l'art pour la production de produits d'air liquéfiés provenant de la séparation d'air cryogénique avec récupération de la réfrigération du GNL et utilisation d'un hydrocarbure fluoré comme fluide de recirculation; la figure 2 est un schéma de principe d'un mode de réalisation particulier du présent procédé cryogénique pour la liquéfaction des produits à composant rectifié d'une unité de séparation d'air selon la présente invention; la figure 3 est un schéma de principe d'un autre
mode de réalisation du procédé de liquéfaction des compo-
sants selon la présente invention sans rebouilleur/-
condenseur et un réaménagement des passages internes de l'échangeur de chaleur principal de sorte qu'aucun courant composant de l'unité de séparation d'air liquéfiable ayant une pression inférieure à celle du réfrigérant de GNL se trouve dans les conduites contiguës de façon opérante au
courant de GNL.
La figure 1 montre un schéma de principe du procédé cryogénique enseigné dans le brevet US no 4 192 622; le procédé fait appel à un hydrocarbure fluoré (Freon) en tant que fluide de recirculation pour la récupération de la réfrigération provenant d'une source de GNL de vaporisation. Dans le procédé, le courant d'azote gazeux haute pression chaud 10 et un courant d'azote gazeux basse pression chaud
12 provenant de l'unité de séparation d'air (non représen-
tée) sont introduits dans le liquéfacteur Sont également introduits dans le système de liquéfaction le courant d'azote gazeux basse pression froid 14 ainsi que le courant d'alimentation GNL de réfrigérant 16 qui en dernier ressort est un courant de gaz naturel sous pression 18 à destination d'un gazoduc (non représenté) Le fluide de recirculation ne s'écoule que par la boucle fermée 20 des mesures étant prises (non représentées) pour son rechargement en raison
des pertes.
Le GNL de réfrigérant 16 s'écoule séquentiellement par les échangeurs de chaleur 22 et 24, contre un courant
d'azote gazeux haute pression comprimé deux fois (prére-
froidi une fois) 26 (initialement prélevé des courants 10 et 12), émergeant comme courant de réfrigérant chaud 27 Ce courant de gaz naturel 27 se combine avec un courant latéral chauffé partiellement 28 qui a fourni séparément de la réfrigération au courant chauffé des hydrocarbures fluorés dans l'échangeur de chaleur 32 pour produire un courant de gaz naturel 34 Le courant chauffé de gaz naturel combiné 34 traverse l'échangeur de chaleur 36 et il est récupéré sous forme de produit de gaz naturel transportable par
gazoduc, par l'intermédiaire du courant 18.
Le courant des hydrocarbures fluorés en recircula-
tion 38 sert à réfrigérer les courants d'azote 10 et 12,
s'écoulant à contre-courant dans l'échangeur de chaleur 40.
Dans celui-ci, ces courants d'azote d'entrée 10 et 12 sont prérefroidis puis comprimés à froid; le courant 10 est comprimé séquentiellement dans les compresseurs 42 et 44; après avoir été refroidi dans l'échangeur de chaleur 40, le courant 12 est comprimé séparément dans le compresseur à froid 46 et le courant 47 est recyclé au courant d'azote gazeux haute pression d'arrivée 10 Le courant de composant comprimé principal froid 26 est encore refroidi par le GNL
dans l'échangeur 24.
Une portion du courant d'azote refroidi 48 traverse directement, sous forme de courant 50 l'échangeur de chaleur 52 o il est refroidi par le courant d'azote gazeux basse pression froid d'arrivée 14 Le reste du courant d'azote refroidi 48 traverse l'échangeur séquentiel 22 sous forme de courant 54 pour être encore refroidi et, sous forme de courant 56, il est alors soumis à une réduction de pression et traverse l'échangeur de chaleur 58 après une séparation de phase dans le séparateur 60 Dans l'échangeur de chaleur 58, le liquide est sous- refroidi par le courant d'entrée d'azote gazeux basse pression froid 14 puis est soumis à une évaporation éclair, formant le courant du produit d'azote
liquide 62.
Dans le procédé, on utilise de l'hydrocarbure fluoré étant donné que l'échange thermique de GNL haute pression (pression supérieure à 35,153 Kg/cm 2 ( 500 psi)) avec des courants d'azote basse pression dans des passages contigus d'un échangeur de chaleur est jugé comme présentant des risques Si une fuite devait se produire dans ces passages
d'échangeur de chaleur, les hydrocarbures du GNL contamine-
raient le produit d'azote liquide quittant le séparateur de phase finale 64 sous forme de courant 62 Si cet azote liquide contaminé était alors partiellement amené sous forme
de reflux à la colonne basse pression de l'unité de sépara-
tion d'air (non représentée), la sécurité serait menacée.
Ces hydrocarbures S ' achemineraient dans la colonne basse pression et s'accumuleraient dans l'oxygène liquide dans le
fond de la colonne basse pression, créant un mélange inflam-
mable A titre de précaution, on utilise un hydrocarbure pour réduire ce risque De plus, aucun des courants d'azote il ayant une pression inférieure à la pression du GNL n'est amené aux échangeurs de chaleur primaires 22 ou 24 pour la
récupération de la source de réfrigération dans l'alimenta-
tion du GNL Comme cela a été précisé précédemment, la con-
figuration du fluide en recirculation comporte ses propres problèmes et s' avère inefficace en matière d'énergie On est confronté à d' importantes pertes énergétiques dues à la recirculation des hydrocarbures qui nécessite des échangeurs de chaleur supplémentaires et de grande taille ainsi qu'une pompe Le procédé selon la présente invention supprime la nécessité du fluide en recirculation et exploite de façon plus complète la source de réfrigération disponible dans le GNL On va expliquer l'invention plus en détail dans les
modes de réalisation suivants.
On va maintenant décrire le procédé selon la présente invention dans un mode de réalisation préféré de façon détaillée à l'égard de la liquéfaction de l'azote
obtenu à partir d'une unité de séparation d'air cryogénique.
Bien que l'on puisse faire appel à toute unité de séparation d'air dans la présente invention, l'unité de séparation
d'air précisée dans la description suivante est un procédé
de distillation d'air à double colonne classique Les
détails de ce procédé peuvent être trouvés dans les publica-
tions de R E Latimer, "Distillation of Air" Chemical
Engineering Progress, pp 35-39, Février, 1967.
La figure 2 décrit schématiquement le procédé de la présente invention visant l'azote comme composant du produit à liquéfier Dans le procédé, l'azote à liquéfier est fourni à partir d'une unité de séparation d'air (non représentée) sous forme de courants multiples haute pression et basse pression Le courant d'azote haute pression provient d'une colonne haute pression (non représentée) fonctionnant à des températures supérieures à 5,272 Kg/cm 2 pression absolue ( 75 pression absolue en psi) et l'azote basse pression est
obtenu à partir de la colonne basse pression (non repré-
sentée), fonctionnant à des pressions légèrement supérieures à la pression ambiante Ces courants sont amenés sous forme de courant chaud (proche de la température ambiante) et sous forme de courant froid (inférieur à -840 C (-1200 F)) au système liquéfacteur Ceci s'effectue pour équilibrer les courbes de refroidissement des échangeurs de chaleur utili-
sés dans l'unité de séparation d'air.
L'azote gazeux basse pression est amené à une température proche de la température ambiante sous forme de courant 90 tandis que le courant 92 fournit l'azote gazeux basse pression à des températures situées entre -1570 C (-250 'F) jusqu'à -J 1950 C (-320 'F) En variante, la vapeur d'ébullition provenant d'un réservoir de stockage d'azote liquide (non représenté) est alimentée sous forme de courant secondaire 94 Une partie de l'azote haute pression est amenée à une température proche de la température ambiante sous forme de courant 96; une certaine quantité d'azote est amenée à la température de la colonne de distillation haute pression sous forme de courant 98, et le reste de l'azote,
le courant 100 est amené à une température moyenne, c'est-
à-dire entre la température ambiante et les températures de
la colonne de distillation haute pression Le GNL de réfri-
gérant à vaporiser est amené par la conduite 102 En prin-
cipe, la pression du courant de GNL d'arrivée 102 se situe entre 7,030 Kg/cm 2 ( 100 psi) et 84,367 Kg/cm 2 ( 1 200 psi) de sorte que le GNL vaporisé, le courant 103 peut être envoyé (toujours à une pression bien au-dessus de la pression ambiante) directement au système de distribution par gazoduc
sans aucune compression supplémentaire.
Le courant d'azote gazeux basse pression 90 est d'abord refroidi avec le GNL dans les échangeurs de chaleur
104 et 106 puis il est amené au premier étage, du compres-
seur 108 Le courant d'azote basse pression froid 92 est combiné au courant d'azote 180 à partir de l'échangeur de chaleur 168 puis il est combiné au courant d'azote 94 pour
former le courant 95 qui sert à condenser et à sous-
refroidir le courant d'azote gazeux haute pression 146 arrivant dans les échangeurs de chaleur 110 et 112 Le courant d'azote légèrement réchauffé 114 est d'abord mélangé au courant d'azote basse pression refroidi 116 pour former un courant d'azote combiné 118; le courant d'azote combiné 118 forme l'alimentation au compresseur froid premier étage 108 Le courant d'azote 118 est comprimé à une pression telle que la température du courant d'azote en surpression est inférieure à la température ambiante De façon typique, cette température se situe dans la plage entre -730 C (-1000 F) jusqu'à la température ambiante Le courant d'azote en surpression 120 est de nouveau refroidi par
échange thermique avec le GNL de vaporisation dans l'échan-
geur de chaleur 106 pour fournir un courant froid 122 qui est alimenté au second étage du compresseur froid 124 La décharge du compresseur 124 est un courant d'azote haute pression 126 qui est à une pression similaire à la pression de la colonne de distillation haute pression de l'unité de
séparation d'air (c'est-à-dire de 5,273 Kg/cm 2 à 14,061 Kg/-
cm 2 pression absolue ( 75 à 200 pression absolue en psi)).
Le courant d'azote haute pression 126 est alors mélangé à un courant d'azote prérefroidi haute pression 96
et le courant combiné obtenu 128 est refroidi dans l'échan-
geur de chaleur 106 pour fournir un courant d'azote haute
pression refroidi 130.
Sur la figure 2, on constate que la température du courant d'azote interne haute pression 126 est inférieure à
celle du courant d'azote gazeux d'entrée haute pression 96.
Par conséquent, le courant 96 est légèrement refroidi dans l'échangeur de chaleur 104 avant d'être mélangé avec le courant interne 126 pour former le courant combiné 128 Le courant d'azote interne haute pression encore refroidi 130 est mélangé au courant d'azote froid 132 pour donner un autre courant d'azote haute pression combiné 134 Le courant d'azote combiné 134 est alors comprimé à froid dans le troisième étage du compresseur à froid 136 pour produire un courant d'azote à pression moyenne 138 Le courant 138 est une fois encore refroidi dans l'échangeur de chaleur 106 puis amené sous forme de courant 140 au quatrième étage du compresseur à froid 142 pour produire un courant d'azote de pression supérieure 144 La pression du courant fortement comprimé 144 se situe dans la plage entre 24,607 Kg/cm 2 et ,460 Kg/cm 2 ( 350 et 1 500 psi), et de façon typique dans la plage entre 42,184 Kg/cm 2 et 84,368 Kg/cm 2 ( 600 et 1 200 psi). En raison du refroidissement intermédiaire du GNL, les températures du courant d'entrée aux quatre compresseurs seront inférieures à la température ambiante De façon typique, cette température se situera dans la plage entre -45,50 C (-500 F) et -1620 C (-260 'F) et de façon plus préférée de -670 C (-900 F) jusqu'à -140 o C (-2200 F) Ainsi, le courant d'azote combiné à pressionsupérieure 144 est uniquement obtenu à partir des courants d'azote basse pression 90, 92,
94, 96, 98 et 100 par compression multiétages avec prére-
froidissement intermédiaire avec le GNL réfrigérant Le débit des courants d'alimentation d'azote à pression inférieure 90, 92, 94, 96, 98 et 100 peut se situer dans toute quantité relative, à tel point que les débits de
certains de ces courants peuvent même être égaux à zéro.
Le courant d'azote à pression supérieure 144 est de nouveau refroidi dans les échangeurs de chaleur 104 et 106 contre le GNL et de plus dans l'échangeur de chaleur 112 contre le GNL et les courants d'azote gazeux froids en
retour tels que le courant 164 pour fournir un courant sous-
refroidi 146 La température du courant liquide 146 est inférieure à la température critique de l'azote Ce courant est de plus sous- refroidi dans l'échangeur de chaleur aval pour obtenir un courant d'azote à pression supérieure froid 148 La pression de ce courant est diminuée jusqu'à une plage de pression d'azote liquide intermédiaire (en principe 5,273 Kg/cm 2 ( 75 psi) jusqu'à 14,061 Kg/cm 2 ( 200 psi) en l'amenant à un expanseur de fluide dense 150 Cette expansion pratiquement isentropique du courant d'azote rend le procédé plus efficace Le courant d'échappement 152 peut de plus subir une réduction de pression par une soupape La vapeur et le liquide sont séparés dans le séparateur de
phase 154.
En variante, le courant d'azote à pression supé- rieure froid 148 pourra éviter l'expanseur de fluide dense sous forme de courant 155 et on réduira sa pression par la soupape 156 avant de l'amener au séparateur 154 La pression dans le séparateur 154 est analogue à la pression du courant d'azote gazeux d'arrivée haute pression 98 (de façon typique 5,273 Kg/cm 2 ( 75 psi) jusqu'à 14,061 Kg/cm 2
( 200 psi)) Le courant de vapeur 158 provenant du sépara-
teur 154 est mélangé au reste des courants d'azote haute pression froids 160 et 162 et renvoyé à l'échangeur de chaleur 110 sous forme de courant 164 pour la poursuite du
traitement comme cela a été décrit précédemment.
La plus grande partie du courant liquide haute
pression 166 en provenance du séparateur 154 est sous-
refroidie dans l'échangeur de chaleur 168, puis sa pression est réduite par une vanne isenthalpique 170, et elle est
amenée au séparateur 172.
Le courant du produit d'azote liquide 174 en provenance du séparateur 172 est envoyé à un réservoir de stockage (non représenté) et il se trouve par conséquent à la pression du réservoir de stockage En principe, cette pression se situe dans la fourchette de 0,351 Kg/cm 2 ( 5 psi) de la pression ambiante La vapeur d'azote 176 en provenance du séparateur 172 est utilisée pour sous-refroidir la charge d'azote liquide au séparateur 172 dans l'échangeur de chaleur 168 Le courant d'azote gazeux 180 en provenance de l'échangeur de chaleur 168 est mélangé au courant d'azote gazeux basse pression d'arrivée 92 et recyclé pour la compression et la liquéfaction, comme cela a été décrit précédemment Le produit d'azote liquide s'écoule à partir
du système par l'intermédiaire du courant 182.
Dans le schéma de principe de la figure 2, le courant d'azote liquide 182 revenant à l'unité de séparation d'air est indirectement dérivé de l'azote liquide récupéré par le séparateur 154 Pour cette raison, une portion du courant d'azote d'entrée haute pression 184 est condensée contre une portion du courant d'azote liquide 186 dans un rebouilleur/condenseur 188 Le courant secondaire d'azote liquide condensé 182 est envoyé au système de colonne de distillation (non représenté) Le courant supérieur d'azote vaporisé 162 est soit envoyé totalement à l'échangeur de chaleur 110 comme cela est représenté, soit une portion de ce courant 162 peut être envoyée aux échangeurs de chaleur
(non représentés) de l'unité de séparation d'air.
La présente invention permet d'obtenir un procédé efficace du point de vue énergétique, procédé qui est particulièrement apte à récupérer la réfrigération provenant du GNL vaporisé pour l'introduction dans le gazoduc Ceci
élimine les inefficacités connues associées à la recircula-
tion des hydrocarbures fluorés et leurs équipements annexes.
Grâce au refroidissement intermédiaire entre les étages avec le GNL des étapes de compression de composant successives, on réduit le volume d'admission de la charge des composants d'air Ceci permet de maintenir des dimensions d'équipement
de compression petites et réduit les coûts d'investisse-
ments Etant donné que le GNL est constitué par plusieurs éléments d'hydrocarbure qui se vaporisent à des températures différentes, ceci favorise les capacités thermiques élevées de la vaporisation du GNL sur une plage de température comparativement vaste Ce procédé exploite efficacement la réfrigération du GNL encore disponible à une température supérieure à -118 'C (-1800 F) par refroidissement du courant
à pression inférieure 90 avec le courant de pression supé-
rieure 96 dans les échangeurs amont 104 et 106 étant tous
alimentés par du réfrigérant de GNL d'entrée.
La chaleur produite par la compression froide étagée réchauffe légèrement les courants de composant 120, 126, 138
et 144 qui sont refroidis dans les échangeurs 104 et 106.
Etant donné que le refroidissement de ces courants après
chaque étape de compression ( 4 sont de préférence em-
ployées), la température du gaz naturel provenant de l'échangeur supérieur 104 est considérablement plus élevée. Cette solution permet d'utiliser plus efficacement la
réfrigération disponible à partir du GNL.
Comme cela a été noté, pour condenser l'azote par exemple pénétrant dans le système décrit à des températures dans la plage de -1290 C (-200 'F) jusqu'à -1620 C (-2600 F), l'azote doit être comprimé à une pression considérablement supérieure Comme cela a été enseigné ici, l'azote est prérefroidi avant chaque étape de compression, ce qui réduit sensiblement la consommation d'énergie Le procédé selon l'invention permet d'utiliser plus efficacement l'énergie froide stockée dans le GNL de réfrigérant et produit des composants d'air liquéfiés avec une consommation d'énergie moindre.
EXEMPLE
Des calculs d'échantillons d'essai ont été effectués et on a trouvé que le procédé préféré de la figure 2 peut
produire de l'azote liquide avec une consommation de puis-
sance d'environ 180-200 KWH/T d'azote liquide par rapport à
450-500 KWH/T d'azote liquide pour les installations classi-
ques qui n'utilisent pas de réfrigération GNL Pour ces calculs, environ 0,4 tonne équivalente d'azote liquide par
tonne de GNL réfrigérant utilisé ont été produites.
Les données d'utilisation de puissance comprennent la puissance qui serait consommée par l'unité de séparation
d'air pour produire de l'azote gazeux en plus de la puis-
sance pour le liquéfacteur Selon toute évidence, le procédé
de la figure 2 est très efficace.
il existe des modes de réalisation en variante au procédé montré sur la figure 2; ces modes de réalisation en variante sont les suivants: en ce qui concerne la figure 2, même s'il est montré que les compresseurs froids 108, 124, 136 et 142
possèdent leurs courants d'entrée en provenance de l'échan-
geur de chaleur principal 106 au même endroit, c'est-à-dire que tous les courants à comprimer à froid sont refroidis à la même température dans l'échangeur de chaleur 106, ceci
n'est peut être pas la façon la plus optimale de procéder.
On pourrait prélever des courants prérefroidis à partir de
l'échangeur 106 à différentes températures pour la compres-
sion à froid afin de mieux équilibrer les courbes de refroi-
dissement dans les échangeurs de chaleur et minimiser les
pertes d'énergie correspondantes.
Par ailleurs, pour plus de facilité, ces compres-
seurs ont été montrés sur la figure 2 comme étant des compresseurs séparés mais ils pourraient tout aussi bien constituer les étages intermédiaires d'un compresseur unique
(non représenté).
De même, sur la figure 2, le sous-courant d'azote gazeux haute pression 184 en provenance de l'unité de séparation d'air à condenser dans le bouilleur/condenseur 188 pourrait être compressé à froid avant la condensation de telle sorte que le courant d'azote vaporisé 162 puisse se situer à une pression supérieure par exemple à environ la même pression que le courant d'azote gazeux haute pression
d'entrée 98.
Enfin, en ce qui concerne la figure 3, on peut ne pas employer du tout le bouilleur/condenseur 188 de la figure 2 En variante, les passages dans les échangeurs de chaleur 104 A, 106 A, 112 A et 110 A pourraient être disposés de telle manière qu'aucun des courants d'azote gazeux ayant une
pression inférieure à celle du GNL se situe dans les passa-
ges des échangeurs à proximité des passages de GNL Ceci
réduira l'efficacité du transfert thermique de ces échan-
geurs et éventuellement pourra nécessiter l'utilisation d'échangeurs de chaleur plus importants Cependant, en raison de la suppression proposée du bouilleur/condenseur
188 de la figure 2, on obtiendra des économies d'énergie.
Sur la figure 3, l'azote liquide en provenance du séparateur 154 A est envoyé à une autre cuve de stockage 190 A qui est à environ la même pression que le séparateur 154 A Le courant d'azote liquide 192 A en provenance du séparateur 190 A est renvoyé à l'unité de séparation d'air pour un traitement ultérieur. En résumé, la présente invention est un procédé perfectionné pour la liquéfaction des gaz tels que l'azote en faisant appel sensiblement à la totalité de la source de réfrigération disponible à partir de la vaporisation du courant de GNL De façon générale, la température initiale
du GNL de vaporisation devra être inférieure à la tempéra-
ture critique du composant à liquéfier, plus communément de
l'azote.
On a décrit la présente invention en se référant à certains modes de réalisation spécifiques de celle-ci Ces modes de réalisation ne doivent pas être considérés comme limitant la portée de la présente invention La portée de la
présente invention est définie par les revendications ci-
annexées.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1 Procédé pour la liquéfaction d'un courant d'azote produit par une unité de séparation d'air cryogénique ayant au moins une colonne de distillation caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: a) comprimer le courant d'azote à une pression d'au moins 24,607 Kg/cm 2 ( 350 psi) dans un compresseur à étages multiples dans lequel le refroidissement intermédiaire est assuré par l'échange thermique contre la vaporisation de gaz naturel liquéfié; b) condenser le courant d'azote comprimé par échange thermique contre la vaporisation de gaz naturel liquéfié;
c) réduire la pression du courant d'azote com-
primé condensé permettant ainsi de produire un courant d'azote à deux phases; d) séparer par phases le courant d'azote en un courant d'azote liquide et en un courant de vapeur d'azote; et e) chauffer le courant de vapeur d'azote pour
récupérer la réfrigération.
2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en
ce qu'il comprend de plus l'étape consistant à sous-refroi-
dir le courant d'azote comprimé condensé de l'étape (b) avant de réduire la pression à l'étape (c) par échange thermique contre le chauffage du courant de vapeur d'azote
de l'étape (e).
3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus l'opération consistant à recycler le courant de vapeur d'azote chauffé de l'étape (e) vers un étage intermédiaire du compresseur à étages multiples de
l'étape (a).
4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en
ce que la réduction de la pression de l'étape (c) s'accom-
plit par expansion du courant d'azote comprimé condensé dans
un expanseur de fluide dense.
5 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en
ce qu'il comprend de plus l'étape consistant à sous-refroi-
dir le courant d'azote liquide de l'étape (d); réduire la pression du courant d'azote liquide sous-refroidi permettant ainsi de produire un second courant d'azote à deux phases; à effectuer la séparation de phase du second courant d'azote à deux phases en un second courant de vapeur d'azote et en
un courant de produit d'azote liquide.
6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en
ce qu'il comprend de plus l'étape consistant à sous-refroi-
dir le courant d'azote liquide de l'étape (d) par échange thermique contre le chauffage du second courant de vapeur d'azote.
7 Procédé selon la revendication 1, caractérisé de plus en ce qu'il comprend l'opération consistant à soumettre une portion du courant d'azote liquide de l'étape (d) à une évaporation éclair et à procéder à l'échange thermique de la portion soumise à l'évaporation éclair contre un courant d'azote sous pression permettant ainsi de produire une quantité d'azote liquide exempte de contamination par hydrocarbure et convenant au recyclage vers l'unité de
séparation d'air.
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