FR2764972A1 - Procede de liquefaction d'un gaz naturel a deux etages interconnectes - Google Patents

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Abstract

Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel dans lequel on utilise un premier mélange de réfrigérant M1 pour la première étape de réfrigération et un deuxième mélange de réfrigérants M2 pour la deuxième étape de réfrigération, ledit deuxième mélange M2 étant réfrigéré au niveau de la première étape de réfrigération à l'aide du premier mélange de réfrigérants (par vaporisation après détente) de façon à obtenir en sortie un mélange M2 monophasique condensé et en ce que l'on utilise la vaporisation du mélange M2 pour assurer au moins partiellement la réfrigération de la seconde étape de réfrigération.

Description

La présente invention concerne un procédé et un dispositif permettant de liquéfier un fluide ou un mélange gazeux formé au moins en partie d'un mélange d'hydrocarbures, par exemple un gaz naturel.
Le gaz naturel est couramment produit en des sites éloignés des lieux d'utiiisation et il est courant de le liquéfier afin de le transporter sur de longues distances par méthanier ou encore de le stocker sous forme liquide.
Par gaz naturel, nous entendons dans toute la description, un mélange formé majoritairement de méthane, mais pouvant contenir également d'autres hydrocarbures et de l'azote, quelque soit l'état dans lequel il se trouve (gazeux, liquide ou diphasique). Le gaz naturel au départ se présente majoritairement à l'état gazeux, et à une valeur de pression telle, qu'au cours de l'étape de liquéfaction, il peut se trouver dans différents états, par exemple liquide et gazeux coexistant à un instant donné.
La liquéfaction du gaz naturel peut être réalisée au moyen de trois dispositions principales connues de l'art antérieur résumées ci-après.
- Une première disposition consiste à opérer au moyen de trois cycles de réfrigération en série, dont chacun opère avec un corps pur comme réfrigérant. Un premier cycle fonctionnant avec du propane permet de condenser de l'éthylène sous pression à une température d'environ -35 C. La vaporisation de l'éthylène à une pression proche de la pression atmosphérique dans un deuxième cycle permet de condenser du méthane sous pression à une température d'environ -100 C. La vaporisation du méthane permet de sous-refroidir le GNL produit et ainsi de pouvoir le détendre pour pouvoir le stocker et le transporter à une pression proche de la pression atmosphérique.
- Une deuxième disposition fréquemment utilisée et décrite dans l'art antérieur, notamment dans les brevets US-3.735.600 et US-3.433.026 consiste à remplacer les deux derniers cycles opérant respectivement avec de l'éthylène et du méthane par un cycle unique opérant avec un mélange de réfrigérants. Le principe de fonctionnement d'un tel cycle est schématisé sur la Figure 1.
Le mélange de réfrigérants est comprimé dans le compresseur K1, puis est refroidi par le fluide de refroidissement ambiant, eau ou air, disponible, dans l'échangeur C1 d'où il ressort par le conduit 1. Il est alors envoyé dans l'étage (I) de réfrigération dans lequel il est refroidi à l'aide d'un cycle au propane. A la sortie de l'étage (I) le mélange sort à l'état liquide-vapeur par le conduit 2. Les deux phases ainsi obtenues sont séparées dans le séparateur B1. La fraction liquide est envoyée dans l'étage de réfrigération (II) dans lequel elle est sous-refroidie puis détendue à travers la vanne de détente V1. En se vaporisant, elle permet de réfrigérer le gaz naturel qui arrive dans l'étage de réfrigération (II) par le conduit 11', ainsi que la fraction de réfrigérant vapeur issue du séparateur B1, qui est envoyée dans l'étage de réfrigération (II) par le conduit 4, jusqu'à environ -100"C, ce qui permet de condenser le gaz naturel et la fraction vapeur de mélange réfrigérant.
La fraction condensée de mélange réfrigérant ainsi obtenue est sous-refroidie puis détendue à travers la vanne de détente V2. En se vaporisant, elle permet de sous-refroidir le gaz naturel jusqu'à une température d'environ -160 C. Le gaz naturel liquéfié sous pression qui sort de l'étage de réfrigération (II) par le conduit 14 est détendu à travers la vanne de détente V3 jusqu'à une pression proche de la pression atmosphérique en produisant le GNL qui est évacué par le conduit 15.
Le gaz naturel entre dans l'étage de réfrigération (I) par le conduit 10 et en ressort par le conduit 11. Il peut être alors envoyé, selon le schéma indiqué en pointillés sur la figure, à un dispositif de fractionnement, d'où il est renvoyé par le conduit 11' dans l'étage de réfrigération (il).
Une troisième possibilité consiste à opérer avec un cycle unique mettant en oeuvre le seul compresseur K1, à l'aide d'une disposition schématisée sur la
Figure 2. Le mélange réfrigérant sortant du compresseur K1 est partiellement condensé dans l'échangeur C1. Les deux phases liquide et vapeur ainsi obtenues sont séparées dans le séparateur B1. La fraction vapeur évacuée par le conduit 1 joue le même rôle que le mélange réfrigérant qui, dans le cas de la disposition schématisée sur la Figure 1, est envoyé à l'étage de réfrigérant (II). L'étage de réfrigération (II) opère d'une manière similaire dans les deux dispositions schématisées sur les Figures 1 et 2. La fraction liquide évacuée du séparateur B2 par le conduit 5 est sous-refroidie dans l'étage de réfrigération (I) puis détendue à travers la vanne de détente V4. Sa vaporisation permet de fournir la réfrigération requise dans l'étage de réfrigération (I).
Il a été également proposé dans la demande de brevet du demandeur
FR 95/15623 d'opérer dans des conditions de pression et de température choisies pour obtenir à la sortie de l'étage de réfrigération (I) un mélange réfrigérant entièrement monophasique condensé, en phase liquide ou en phase dense.
Par phase dense, on entend par la suite une phase qui se trouve à une pression supérieure à la pression du cricondenbar du mélange et à une pression et une température telles que par détente isentropique elle puisse former une phase liquide saturée.
On peut dans ce cas opérer par exemple selon le schéma de la Figure 3.
Dans cet exemple, l'étage de réfrigération (II) est constitué de deux zones d'échange de chaleur El et E2, qui sont distinctes. Le mélange réfrigérant condensé qui arrive par le conduit 2 dans la zone de réfrigération (H) est d'abord vaporisé à une pression intermédiaire dans la zone d'échange de chaleur El, puis vaporisé à basse pression dans la zone d'échange de chaleur E2. Le gaz naturel sortant de la zone d'échange de chaleur El par le conduit 12 est ainsi refroidi dans la zone d'échange de chaleur El jusqu'à une température par exemple comprise entre -100 et -1200C, puis refroidi dans la zone d'échange de chaleur E2 jusqu'à une température voisine de -160 C. La température à la sortie de l'étage de réfrigération (I) peut être dans ce cas comprise par exemple entre -60 et -80 C alors qu'elle est de l'ordre de -30 à -35 C lorsque l'étage de réfrigération (I) est refroidi par du propane.
Le gaz naturel peut être alors prélevé par le conduit 11 en un point intermédiaire de l'étage de réfrigération (I) pour être envoyé à un dispositif de fractionnement, et réinjecté par le conduit 11' dans la zone d'échange (I).
Pour atteindre les températures de réfrigération requises à la sortie des zones d'échange El et E2 on utilise un mélange réfrigérant comprenant du méthane, de l'éthane et de l'azote. Compte tenu d'un intervalle de température de vaporisation relativement étroit, compris par exemple entre 30 et 50 "C, on est toutefois obligé d'utiliser un mélange réfrigérant très concentré en méthane, ne permettant pas d'obtenir un profil enthalpie-température régulier, ce qui entraîne des écarts de température dans les zones d'échange de chaleur El et E2 qui peuvent être localement importants. Il en résulte une dégradation relative des performances.
Il a été découvert et c'est là l'objet de la présente invention qu'il est possible d'améliorer les conditions de fonctionnement d'un procédé utilisant un mélange réfrigérant monophasique condensé à la sortie de la première étape de réfrigération (I), en réalisant sa vaporisation sur au moins deux étapes de réfrigération du procédé. Ainsi, il est possible d'opérer en ne vaporisant partiellement le mélange réfrigérant dans l'étape de réfrigération (H) et en achevant sa vaporisation dans l'étape de réfrigération (I).
La présente invention concerne un procédé de liquéfaction d'un fluide G formé au moins en partie d'hydrocarbures, tel qu'un gaz naturel, comportant au moins deux étapes de réfrigération au cours desquelles
on refroidit le fluide G lors de la première étape et on refroidit au moins un
mélange de réfrigérants M2 pour obtenir à l'issue de cette première étape au
moins un mélange de réfrigérants monophasique condensé,
on refroidit, on vaporise et on détend ledit mélange monophasique condensé
M2 issu de la première étape pour assurer le sous-refroidissement au moins
dudit fluide G dans la deuxième étape de réfrigération et le sous
refroidissement d'au moins une partie dudit mélange réfrigérant monophasique
condensé M2.
Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on effectue la vaporisation d'au moins une partie dudit mélange de réfrigérants monophasique condensé M2 au cours des deux étapes de réfrigération.
Selon le procédé selon l'invention, on peut utiliser un premier mélange de réfrigérant M1 pour la première étape de réfrigération et un deuxième mélange de réfrigérants M2 pour la deuxième étape de réfrigération, le deuxième mélange M2 étant réfrigéré au niveau de la première étape de réfrigération à l'aide du premier mélange de réfrigérants (par vaporisation après détente) de façon à obtenir en sortie un mélange M2 monophasique condensé et on peut utiliser la vaporisation du mélange M2 pour assurer au moins partiellement la réfrigération de la seconde étape de réfrigération.
Le mélange de réfrigérants M2 sort monophasique condensé, par exemple en phase liquide ou encore en phase dense du premier étage de réfrigération.
Le mélange de réfrigérants M1 peut comprendre du méthane, de l'éthane, du propane et du butane et/ou le mélange de réfrigérants M2 peut comprendre de l'azote, du méthane et de l'éthane.
Selon un premier mode de mise en oeuvre du procédé, les mélanges de réfrigérants M1 et M2 sont recomprimés après détente en utilisant des systèmes de compression distincts, puis refroidis à l'aide du milieu ambiant de refroidissement disponible dans des zones d'échange de chaleur distinctes.
Selon un deuxième mode de mise en oeuvre du procédé, on refroidit et on condense au moins partiellement un mélange global de réfrigérants comprimé à l'aide d'un système de compression unique de manière à produire une fraction liquide et une fraction vapeur, et on utilise respectivement la fraction liquide comme premier mélange de réfrigérants M1, et la fraction vapeur comme deuxième mélange de réfrigérants M2, les mélanges de réfrigérants M1 et M2 étant après détente et vaporisation remélangés et recyclés au système de compression.
Le mélange global de réfrigérants à partir duquel sont obtenus les fractions liquide et vapeur comprend, par exemple, de l'azote, du méthane, de l'éthane, du propane et du butane.
La deuxième étape de réfrigération peut comporter plusieurs zones d'échange de chaleur et on peut alors réaliser la réfrigération en utilisant le mélange de réfrigérants M2 qui est détendu et vaporisé à des niveaux de pression décroissants, la vaporisation de la fraction de mélange assurant la réfrigération d'une zone étant poursuivie dans la zone précédente et la vaporisation de la fraction de mélange assurant la réfrigération de la première zone étant poursuivie et achevée dans le premier étage de réfrigération.
La première étape de réfrigération comporte, par exemple, plusieurs zones d'échange de chaleur et on peut assurer la réfrigération dans lesdites zones d'échange de chaleur successives à l'aide du mélange de réfrigérants M1 qui est détendu et vaporisé à des niveaux de pression décroissants.
A la sortie du premier étage de réfrigération, le mélange de réfrigérants M2 peut se trouver à une pression au moins égale à 3 MPa et à une température au moins inférieure à -40 "C.
D'autres caractéristiques et avantages de la méthode selon l'invention, apparaltront à la lecture de la description ci-après de modes de réalisation décrits à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés où
les figures 1 et 2 montrent des procédés de liquéfaction du gaz naturel selon
l'art antérieur,
la figure 3 schématise un procédé du demandeur selon l'art antérieur opérant
en utilisant avec un mélange réfrigérant monophasique condensé qui est
vaporisé en totalité ou au moins en majorité au niveau de la première étape de
réfrigération,
la figure 4 montre un schéma de principe du procédé selon l'invention,
la figure 5 montre une variante pour réaliser la première étape de réfrigération,
la figure 6 illustre l'exemple numérique d'un gaz naturel, et
la figure 7 schématise une variante opérant avec un cycle unique.
On opère dans ce cas, par exemple selon le schéma représenté sur la Figure 4. Sur cette figure seul le circuit de réfrigération suivi par le mélange de réfrigérants M2 est représenté. Certains éléments communs aux figures 3 et 4 sont référencés de manière identique et l'enseignement technique du document
FR.95/15 623 nécessaire pour la compréhension de l'invention est incorporé par référence, en particulier les passages prémentionnés relatifs aux étapes de liquéfaction du gaz naturel.
L'idée et l'objet de la présente invention consiste principalement à opérer différemment la vaporisation du mélange de réfrigérants monophasique condensé, obtenu en sortie de la première étape de réfrigération, par exemple, en réalisant la vaporisation sur plusieurs étapes de réfrigération et/ou dans plusieurs zones d'échange.
Sur la figure 4, le mélange de réfrigérants M2 sort du système de compression K1 par le conduit 20. Il est ensuite refroidi par échange de chaleur avec le milieu ambiant de refroidissement, tel que l'eau ou l'air disponible dans l'échangeur de chaleur C1 d'où il ressort par le conduit 21 pour être envoyé vers la première étape de réfrigération (I), ou étage de réfrigération, où il est réfrigéré en même temps que le gaz naturel introduit par un conduit 10. La pression et la température en sortie de l'étage de réfrigération (I) sont choisies de manière à ce que le mélange de réfrigérants M2 sorte monophasique condensé de cet étage. La pression est par exemple supérieure à 3,5 MPa et la température par exemple comprise entre -60 et -80 C. Le mélange M2 sortant monophasique condensé du premier étage de réfrigération (I) peut être soit en phase liquide soit en phase dense.
Dans cet exemple de réalisation, I'étage de réfrigération (I) comporte une zone d'échange de chaleur référencée E0, alors que le second étage de réfrigération (II) comporte deux zones d'échange de chaleur El et E2 disposées en cascade.
Le mélange monophasique condensé M2 sortant du premier étage de réfrigération (I) est envoyé par un conduit 22 vers la seconde étape de réfrigération (II), tout d'abord dans la zone d'échange de chaleur El où il est sousrefroidi. A l'issue de cette étape de sous-refroidissement, une fraction F1 de ce mélange ressort par un conduit 23 et est détendue à travers une vanne de détente
V1, à un premier niveau de pression P1.
La vaporisation partielle de cette première fraction F1 de mélange permet notamment d'assurer au niveau de la zone d'échange de chaleur El, une partie de la réfrigération nécessaire pour réfrigérer le gaz naturel et sous-refroidir le mélange
M2 qui se vaporise au moins en partie mais non en totalité.
En effet, et c'est là une des caractéristique essentielle de la présente invention, la vaporisation du mélange M2 est poursuivie et achevée dans le premier étage de réfrigération (I) où elle est introduite par un conduit 24 et d'où elle sort par un conduit 25 pour être envoyée vers le système de compression K1, cette fraction de mélange étant à une pression intermédiaire en sortie de l'étage, elle est envoyée par exemple à la sortie du premier étage de compression.
Une autre fraction F2 du mélange M2 est envoyée par un conduit 26 dans la zone d'échange de chaleur E2 pour être sous-refroidie à nouveau. Elle ressort de cette zone E2 par un conduit 27, puis est détendue à travers une vanne de détente V2 à un deuxième niveau de pression P2 inférieur au premier niveau de pression P1. La fraction de mélange détendue est renvoyée dans la zone d'échange E2 par un conduit 28, sa vaporisation au moins partielle assurant dans cette zone d'échange de chaleur E2, la réfrigération nécessaire pour réfrigérer le gaz naturel et sous-refroidir le mélange M2 introduit par le conduit 26. La vaporisation du mélange M2 est poursuivie et achevée dans la zone d'échange de chaleur El avant de ressortir par un conduit 30.
La fraction de mélange vapeur sortant à basse pression par le conduit 30 de la zone d'échange de chaleur El est envoyée à un premier étage de compression du système de compression K1.
Cette fraction de mélange vapeur est mélangée en sortie du premier étage du système de compression avec la fraction de mélange vapeur introduite en sortie du premier étage de compression par le conduit 25, le mélange résultant étant ensuite comprimé dans le deuxième étage de compression K1, le mélange ainsi comprimé étant envoyé par le conduit 20 à l'échangeur de chaleur El. Les étages de réfrigération (I) et (tri) sont dans ce cas interconnectés.
Le procédé de liquéfaction selon l'invention est caractérisé en ce que l'on réalise la vaporisation d'au moins une partie du mélange de réfrigérants monophasiques condensés M2 au cours des deux étapes de réfrigération.
Dans l'exemple de disposition schématisé sur la Figure 4, le mélange de réfrigérants M2 est vaporisé à deux niveaux de pression. II peut être également vaporisé à un seul niveau de pression. Dans ce cas, les deux zones d'échange de chaleur El et E2 sont regroupées pour former une zone unique d'échange de chaleur constituant le deuxième étage de réfrigération (II). Selon d'autres variantes de réalisation, le mélange peut être vaporisé à plus de deux niveaux de pression, par exemple trois ou quatre, le deuxième étage de réfrigération (H) sera adapté en conséquence et comportera respectivement trois ou quatre zones d'échange de chaleur. Dans ces exemples de mise en oeuvre, la réfrigération est assurée au niveau de la deuxième zone d'échange de chaleur dans des zones d'échange de chaleur successives dans lesquelles le mélange de réfrigérants M2 est détendu et vaporisé à des niveaux de pression décroissants, la vaporisation de la fraction de mélange assurant la réfrigération d'une zone étant poursuivie dans la zone précédente et la vaporisation de la fraction de mélange assurant la réfrigération de la première zone étant poursuivie et achevée dans le premier étage de réfrigération.
Le gaz naturel à liquéfier est envoyé à une température de l'ordre de 40"C par exemple, et à une pression voisine de 6 MPa, par une conduite 10 dans la première zone d'échange de chaleur (I) où il est refroidi au moins par un mélange réfrigérant M1. En sortie de ce premier étage, il se trouve à une température, de préférence au moins inférieure à -40 C et à une pression sensiblement égale à sa valeur de pression initiale. II est ensuite envoyé par un conduit 12 vers la seconde étape de réfrigération (II), successivement dans les zones d'échange de chaleur
El et E2 qui sont reliées par un conduit 13. A l'issue de cette deuxième étape de réfrigération, il se trouve à la température finale souhaitée, par exemple voisine de -160 C, avant d'être évacué par un conduit 14 et détendu par un dispositif approprié, tel qu'une vanne V3 ou une turbine. II est ensuite séparé dans un ballon séparateur DA, la fraction liquide résultant de cette séparation étant évacuée par un conduit 15 et la fraction vapeur par un conduit 16 située en tête de ballon.
Dans le cas de la disposition schématisée sur la Figure 4, la réfrigération du premier étage de réfrigération (I) est assurée au moins en partie par un circuit de réfrigération distinct comportant au moins le système de compression K1. Ce circuit de réfrigération peut opérer par exemple selon la disposition représentée sur le schéma de la Figure 5 qui schématise au moins la première étape de réfrigération (I).
Le mélange de réfrigérants M1 qui est utilisé dans la première étape de réfrigération, (I'étage de réfrigération (I)), est comprimé dans le système de compression K10. II est ensuite refroidi et condensé dans le condenseur C10 à l'aide du milieu ambiant eau ou air de refroidissement disponible. Le mélange M1 est alors envoyé par un conduit 40 vers le premier étage de réfrigération (I) comportant dans cet exemple trois zones d'échange de chaleur E10, El 1 et E12. II est sous-refroidi successivement dans les zones d'échange de chaleur E10, El 1 et E12, ces zones communiquant entre elles respectivement par des conduits 41 et 42, le mélange M1 sous-refroidi étant évacué par un conduit 43 relié à la
s dernière zone.
Une première fraction F1 M1 du mélange M1 qui a été sous-refroidie dans la zone d'échange de chaleur E10 passe par un conduit 44 et est détendue à travers la vanne de détente V10 et vaporisée à un premier niveau de pression P1 M1. La vaporisation de cette première fraction F1 M1 du mélange M1 permet d'assurer au moins en partie la réfrigération requise dans la zone d'échange de chaleur E10, par circulation à contre-courant dans le conduit 45. Cette première fraction F1 M1 ressort de la zone d'échange E10 par un conduit 46 pour être envoyée par exemple au niveau d'un étage de sortie du système de compression Kt.
La fraction non détendue est envoyée vers la deuxième zone d'échange de chaleur où elle est détendue. En sortie de cette zone Tell, une deuxième fraction
F2 M1 du mélange M1 est détendue à travers une vanne de détente V11 disposée sur un conduit 47, à un deuxième niveau de pression P2 M1 inférieur au premier.
La vaporisation de cette deuxième fraction du mélange M1 permet d'assurer la réfrigération requise dans la zone d'échange de chaleur Tell, par circulation à contre-courant par le conduit 48. Cette deuxième fraction F2 M1 du mélange M1 passe ensuite dans la zone d'échange E10 d'où elle ressort par un conduit 49 à une température proche de la température du milieu ambiant eau ou air disponible.
A la sortie de la zone d'échange E10, la fraction du mélange est envoyée au système de compression par le conduit 49 dans un étage de rang inférieur à l'étage où est renvoyée la première fraction de mélange.
La fraction de mélange non détendue à travers la vanne V11, est envoyée vers la troisième zone d'échange de chaleur E12. Une fraction F3 M1 du mélange M1 qui a été sous-refroidie dans cette zone d'échange de chaleur E12 est détendue à travers la vanne de détente V12 au niveau de pression le plus bas, par exemple voisin de la pression atmosphérique. La vaporisation de cette dernière fraction du mélange M1 permet d'assurer en partie la réfrigération requise dans la zone d'échange de chaleur E12 en circulant par exemple à contre-courant dans un conduit 50. Cette fraction de mélange M1 sortant en phase vapeur à basse pression de la zone d'échange de chaleur E12 est envoyée par un conduit 51 au premier étage de compression du système de compression K10.
A la sortie du premier étage de compression du système de compression K10, le mélange de la fraction comprimée et de la deuxième fraction sortant de la zone d'échange E10 par le conduit 49 est envoyé au deuxième étage de compression.
A la sortie de ce deuxième étage, le mélange comprimé est refroidi dans un échangeur C11 à l'aide du milieu ambiant eau ou air disponible et mélangé avec la fraction qui est détendue au niveau de pression intermédiaire le plus élevé qui sort de la zone d'échange de chaleur E10 par le conduit 46. Le mélange comprimé résultant de l'ensemble des différentes fractions de mélange recomprimées sortant du système de compression K10 est alors envoyé à l'échangeur C10.
Par ailleurs dans cet exemple de disposition la vaporisation du mélange M2 est poursuivie et achevée dans la zone d'échange de chaleur E12. Dans d'autres exemples de réalisation, elle peut être également poursuivie et/ou achevée dans les zones d'échange de chaleur E10 et El 1. Dans l'exemple de disposition schématisé sur la Figure 5 la vaporisation du mélange M2 assure un complément de réfrigération dans la zone d'échange de chaleur E12.
Dans l'exemple de disposition schématisé sur la Figure 5, le mélange de réfrigérants M1 utilisé pour réaliser la première étape de réfrigération, est vaporisé à trois niveaux de pression. Le nombre de niveaux de pression de détente peut être différent, par exemple de deux ou de quatre. Dans ce cas, le premier étage de réfrigération (I) comprend autant de zones d'échange de chaleur telles que celles qui sont schématisées sur la Figure 5 que de niveaux de pression de détente. La réfrigération est alors assurée dans des zones d'échange de chaleur successives dans lesquelles le mélange de réfrigérants M1 est détendu et vaporisé à des niveaux de pression décroissants, en suivant l'ordre d'agencement des zones d'échange de chaleur.
Selon une autre façon de procéder, il est possible de poursuivre la vaporisation du mélange de réfrigérants M1 effectuée dans une zone d'échange de chaleur dans la zone d'échange de chaleur adjacente par exemple la zone précédente.
Le mélange de réfrigérants M1 utilisé dans l'étage de réfrigération (I) peut comporter au moins un ou plusieurs des constituants suivants : méthane, éthane, propane, butane, pentane.
Le mélange de réfrigérants M2 utilisé dans l'étage de réfrigération (II) peut comporter au moins un ou plusieurs des constituants suivants : méthane, éthane, propane, azote.
A la sortie de l'étage de réfrigération (I) le mélange de réfrigérants M2 se trouve de préférence à une pression au moins égale à 3 MPa et à une température au moins inférieure à .4000.
Exemple
Le procédé selon l'invention est illustré par l'exemple numérique suivant, décrit en relation avec le schéma de la figure 6, dans lequel la première étape de réfrigération est assurée dans trois zones d'échange de chaleur E10, Ell et E12 disposées en cascade et la seconde étape de réfrigération (II) dans des zones de chaleur El et E2.
Un gaz naturel dont la composition en % volume est la suivante:
méthane : 86
azote : 4
éthane : 5
propane-butane : 4
fraction Cg+ . 1
est introduit par le conduit 10 à une pression de 6,8 MPa et une température de 45 "C.
II est refroidi tout d'abord dans les zones d'échange de chaleur E10, Ell et E12, qui constituent l'étage de réfrigération (I). Cet étage de réfrigération met en oeuvre un mélange de réfrigérants M1 dont la composition est la suivante en fractions molaires (%).
méthane 1,9
éthane : 27,8
propane : 53,8
butane : 16,3
fraction C+ : 0,2
Ce mélange sort comprimé à une pression de 2,66 MPa du système de compression Kl0. Il est refroidi jusqu'à une température de 45"C dans l'échangeur
C10, d'où il sort condensé. II est sous-refroidi successivement dans les zones d'échange de chaleur E10, Ell et E12. A la sortie de la zone d'échange de chaleur E10, il est détendu à travers la vanne de détente V10 et vaporisé dans la zone d'échange de chaleur E10, d'où il est renvoyé par le conduit 46 à une pression de 1,24 MPa vers le système de compression K10. A la sortie de la zone d'échange El il est détendu à travers la vanne de détente V11 et vaporisé dans la zone d'échange de chaleur Tell, d'où il est renvoyé par le conduit 49 à une pression de 0,5 MPa vers le système de compression K10.
Le gaz naturel sort de la zone d'échange de chaleur El 1</RTI
Le gaz naturel sortant de la zone d'échange de chaleur E12 par le conduit 12 est ensuite refroidi dans les zones d'échange de chaleur El et E2, qui constituent l'étage de réfrigération (il). Cet étage de réfrigération met en oeuvre un mélange de réfrigérants dont la composition est la suivante en fractions molaires (%).
méthane : 49,7
azote 0,2
éthane : 35,4
propane : 13,3
fraction C4+ . 1,4
Ce mélange sort comprimé à une pression de 3,79 MPa du système de compression K1. II est refroidi jusqu'à une température de 45 "C dans l'échangeur
C1, puis dans les zones d'échange de chaleur E10, Tell, E12 et sort condensé de la zone d'échange de chaleur E12. Il est sous-refroidi successivement dans les zones d'échange de chaleur El et E2. A la sortie de la zone d'échange de chaleur
El, il est détendu à travers la vanne de détente V1 et partiellement vaporisé dans la zone d'échange de chaleur El. Sa vaporisation est poursuivie et achevée dans la zone d'échange de chaleur E12, d'où il est renvoyé par le conduit 23 à une pression de 0,7 MPa vers le système de compression K1. Le sous-refroidissement du mélange non détendu à travers la vanne de détente V1 est poursuivi dans la zone d'échange de chaleur E2. A la sortie de la zone d'échange de chaleur E2, le mélange ainsi sous-refroidi est détendu à travers la vanne de détente V2 et vaporisé dans la zone d'échange de chaleur E2 d'où il est renvoyé par le conduit 77 au système de compression K1 à une pression de 0,12 MPa.
Le gaz naturel sortant liquide sous pression par le conduit 14 est détendu à travers la vanne de détente V3 et envoyé au système de déazotation par distillation DA. Le GNL produit sort par le conduit 15 à une pression de 0,13 MPa et une température de -160 CC. Par le conduit 16 on évacue le gaz de purge qui représente 1,05 kmole pour une production de 10 kmole de GNL.
La figure 7 schématise un autre mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention où l'on opère avec un cycle unique utilisant un seul système de compression, en fractionnant le mélange de réfrigérants comprimé par refroidissement et condensation, en obtenant au moins une fraction liquide et au moins une fraction vapeur. La fraction liquide peut être utilisée pour constituer le mélange M1 et la fraction vapeur pour constituer le mélange M2, mélange dont
I'opération de vaporisation est distribuée sur les différentes étapes de réfrigération (I) et (il).
Le mélange initial de réfrigérants comprimé est refroidi à l'aide du fluide de refroidissement ambiant, eau ou air, disponible dans l'échangeur C100 d'où il sort partiellement condensé. Les fractions liquide et vapeur sont séparées dans le ballon séparateur B20 et évacuées respectivement par des conduits 70 et 71. La fraction liquide constituant le mélange M1 est envoyée par le conduit 70 dans la zone d'échange de chaleur El 1 dans laquelle elle est sous-refroidie. A la sortie de la zone d'échange de chaleur Tell, une fraction de ce mélange M1 est évacuée par un conduit 72 à travers la vanne de détente V30, mélangée avec la fraction vapeur arrivant de la zone d'échange de chaleur E12 par le conduit 73 et vaporisée dans la zone d'échange de chaleur Tell. La phase vapeur sortant de la zone d'échange de chaleur El 1 par le conduit 74 est envoyée au système de compression K100. La fraction liquide de mélange M1 qui n'est pas détendue à travers la vanne de détente V30, est envoyée par le conduit 75 dans la zone d'échange de chaleur E12. A la sortie de la zone d'échange de chaleur E12, elle est détendue à travers la vanne de détente V31, mélangée avec la fraction vapeur arrivant de la zone d'échange de chaleur E21 par le conduit 76 et vaporisée dans la zone d'échange de chaleur E12. La phase vapeur sortant de la zone d'échange de chaleur E12 par le conduit 77 est envoyée à l'entrée du système de compression K100. A la sortie d'un premier étage du système de compression
K100, cette phase vapeur est refroidie à l'aide du milieu ambiant de refroidissement, eau ou air, disponible dans l'échangeur de chaleur C101, puis mélangée avec la fraction vapeur arrivant par le conduit 74.
La fraction vapeur sortant du ballon séparateur B20 par le conduit 71 et constituant le mélange M2 passe successivement à travers les zones d'échange de chaleur El 1 et E12 qui constituent l'étage de réfrigération (I) et sort monophasique condensée de la zone d'échange de chaleur E12 par le conduit 78.
Le mélange monophasique condensé ainsi obtenu est alors envoyé dans la seconde étape de réfrigération (II) comportant par exemple deux zones d'échange de chaleur E21 et E22, dans laquelle il est sous-refroidi dans la première zone d'échange de chaleur E21. A la sortie de la zone d'échange de chaleur E21, une première fraction de mélange M2 est envoyée par le conduit 79 vers la vanne V1 et détendue à travers la vanne. Cette première fraction est ensuite vaporisée partiellement dans la zone d'échange de chaleur E21, la vaporisation se poursuivant et s'achevant dans ia zone d'échange de chaleur E12 d'où la fraction vaporisée de mélange M2 sort par le conduit 73. La fraction de mélange M2 qui n'est pas détendue à travers la vanne V1 est envoyée par un conduit 80 dans la zone d'échange de chaleur E22 dans laquelle elle est sous-refroidie, envoyée par un conduit 81 pour être détendue à travers la vanne de détente V2 et partiellement vaporisée dans la zone d'échange de chaleur E22, la vaporisation se poursuivant et s'achevant dans la zone d'échange de chaleur E21, d'où la fraction vaporisée de mélange M2 sort par le conduit 76.
Le gaz naturel est introduit dans la zone d'échange de chaleur El 1 par le conduit 10. A la sortie de la zone d'échange de chaleur El il peut être envoyé à un dispositif de fractionnement par le conduit 1 1 et selon par exemple le schéma décrit à la figure 6 dans lequel sont séparés, par exemple par distillation, une partie des hydrocarbures plus lourds que le méthane. La réfrigération du gaz naturel est ensuite poursuivie dans les zones d'échange de chaleur E12, E21 et
E22. II sort liquide sous-refroidi sous pression par le conduit 14 de la zone d'échange de chaleur E22. Il est alors détendu à travers la vanne de détente V13 pour former le GNL qui est évacué par le conduit 15.
Différents types d'équipements peuvent être utilisés en restant dans le cadre de la présente invention.
II est possible d'utiliser des échangeurs de chaleur à tubes ou calandres ou des échangeurs à plaques. Les zones d'échange de chaleur constituant les étages de réfrigération (I) et (II) sont avantageusement réalisées à l'aide d'échangeurs à plaques qui peuvent être par exemple, des échangeurs à plaques, par exemple en aluminium brasé ou encore en acier inoxydable. Pour chaque zone d'échange, il est possible d'utiliser un ou plusieurs échangeurs à plaques en parallèle. Un même échangeur à plaques peut être également utilisé pour réaliser plusieurs zones d'échange de chaleur en série, à condition de prévoir les prélèvements intermédiaires de fluides qui sont nécessaires.
Les vannes de détente peuvent être au moins pour certaines, remplacées par des turbines permettant de récupérer l'énergie mécanique de détente.
Différents types de compresseurs peuvent être utilisés, par exemple des compresseurs centrifuges ou des compresseurs axiaux.

Claims (10)

Revendications
1 - Procédé de liquéfaction d'un fluide G formé au moins en partie d'hydrocarbures, tel qu'un gaz naturel, comportant au moins deux étapes de réfrigération au cours desquelles
on refroidit le fluide G lors de la première étape et on refroidit au moins un
mélange de réfrigérants M2 pour obtenir à l'issue de cette première étape au
moins un mélange de réfrigérants monophasique condensé,
on refroidit, on vaporise et on détend ledit mélange monophasique condensé
M2 issu de la première étape pour assurer le sous-refroidissement au moins
dudit fluide G dans la deuxième étape de réfrigération et le sous
refroidissement d'au moins une partie dudit mélange réfrigérant monophasique
condensé M2, caractérisé en ce que l'on effectue la vaporisation d'au moins une partie dudit mélange de réfrigérants monophasique condensé M2 au cours des deux étapes de réfrigération.
2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on utilise un premier mélange de réfrigérant M1 pour la première étape de réfrigération et un deuxième mélange de réfrigérants M2 pour la deuxième étape de réfrigération, ledit deuxième mélange M2 étant réfrigéré au niveau de la première étape de réfrigération à l'aide du premier mélange de réfrigérants de façon à obtenir en sortie un mélange M2 monophasique condensé et en ce que l'on utilise la vaporisation du mélange M2 pour assurer au moins partiellement la réfrigération de la seconde étape de réfrigération.
3- Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le mélange de réfrigérants M2 sort monophasique condensé en phase liquide du premier étage de réfrigération.
4 - Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le mélange de réfrigérants M2 sort monophasique condensé en phase dense du premier étage de réfrigération.
5 - Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le mélange de réfrigérants M1 comprend du méthane, de l'éthane, du propane et du butane et/ou le mélange de réfrigérants M2 comprend de l'azote, du méthane et de l'éthane.
6 - Procédé de liquéfaction selon la revendication 1, caractérisé en ce que les mélanges de réfrigérants M1 et M2 sont recomprimés après détente en utilisant des systèmes de compression distincts, puis refroidis à l'aide du milieu ambiant de refroidissement disponible dans des zones d'échange de chaleur distinctes.
7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on refroidit et on condense au moins partiellement un mélange global de réfrigérants comprimé à l'aide d'un système de compression unique de manière à produire une fraction liquide et une fraction vapeur et on utilise respectivement cette fraction liquide comme mélange de réfrigérants M1 et la fraction vapeur comme mélange de réfrigérants M2 (ambiant disponible d'un mélange), les mélanges de réfrigérants M1 et M2 étant après détente et vaporisation remélangés et recyclés au système de compression.
8 - Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon la revendication 7, caractérisé en ce que le mélange global de réfrigérants à partir duquel sont obtenus les mélanges de réfrigérants M1 et M2 comprend de l'azote, du méthane, de l'éthane, du propane et du butane.
9 - Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite deuxième étape de réfrigération, comporte plusieurs zones d'échange de chaleur et en ce que l'on réalise la réfrigération en utilisant le mélange de réfrigérants M2 qui est détendu et vaporisé à des niveaux de pression décroissants, la vaporisation de la fraction de mélange assurant la réfrigération d'une zone étant poursuivie dans la zone précédente et la vaporisation de la fraction de mélange assurant la réfrigération de la première zone étant poursuivie et achevée dans le premier étage de réfrigération.
10 - Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la première étape de réfrigération comporte plusieurs zones d'échange de chaleur et en ce que l'on assure la réfrigération dans lesdites zones d'échange de chaleur successives à l'aide du mélange de réfrigérants M1 qui est détendu et vaporisé à des niveaux de pression décroissants.
1 1 - Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'à la sortie du premier étage de réfrigération, le mélange de réfrigérants M2 se trouve à une pression au moins égale à 3 MPa et à une température au moins inférieure à -40 "C.
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