FR3043452A1 - Procede de liquefaction de gaz naturel a l'aide d'un circuit de refrigeration en cycle ferme - Google Patents
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Abstract
Procédé de liquéfaction de gaz naturel à partir d'un courant d'alimentation comprenant au moins les étapes suivantes : Etape a) : passage du gaz d'alimentation contre un courant réfrigérant mixte à travers un échangeur de chaleur ; Etape b) : extraction d'un courant réfrigérant mixte de l'échangeur de chaleur à partir d'une sortie où la température dans l'échangeur de chaleur est la plus élevée; Etape c) : introduction du réfrigérant mixte issu de l'étape b) dans un moyen séparateur de phases afin de produire un courant réfrigérant gazeux et x courants réfrigérants liquides; Etape d) : passage de chacun des x courants réfrigérants liquides issus de l'étape c) dans l'échangeur de chaleur à partir d'une entrée différente pour chaque courant liquide, chacun desdits courants liquides étant soutiré à une sortie différente, dite intermédiaire, de l'échangeur; Etape e) : passage du courant réfrigérant gazeux issu de l'étape c) dans l'échangeur de chaleur à partir d'une entrée et jusqu'à une sortie à une température T3 dont le niveau est le plus bas des niveaux de température dudit échangeur de chaleur afin de produire un courant liquéfié.
Description
La présente invention concerne un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures tel que le gaz naturel en particulier dans un procédé pour la production de gaz naturel liquéfié. Sur des usines de liquéfaction de gaz naturel typiques utilisant un cycle de réfrigérant mixte, des courants réfrigérants sont utilisés pour produire le froid à différents niveaux d’un échangeur de chaleur principal en se vaporisant contre le courant d'hydrocarbures à liquéfier (typiquement le gaz naturel).
Il est souhaitable de liquéfier le gaz naturel pour un certain nombre de raisons. A titre d'exemple, le gaz naturel peut être stocké et transporté sur de longues distances plus facilement à l'état liquide que sous forme gazeuse, car il occupe un volume plus petit pour une masse donnée et n'a pas besoin d'être stocké à une pression élevée.
Plusieurs méthodes de liquéfaction d'un courant de gaz naturel pour obtenir du gaz naturel liquéfié (GNL) sont connues. Typiquement le réfrigérant mixte est comprimé au moyen d’un compresseur et séparé en un courant gazeux et au moins un courant liquide, puis les deux courants sont combinés pour former un courant diphasique. Ce courant diphasique est introduit dans l'échangeur de chaleur principal où ils est totalement liquéfié et sous-refroidi jusqu’à la température la plus froide du procédé, typiquement celle du courant de gaz naturel liquéfié. A la sortie la plus froide de l'échangeur de chaleur principal, le réfrigérant est détendu et réintroduit dans l'échangeur principal afin d’être vaporisé contre la fraction riche en hydrocarbures qui se liquéfie.
Cette solution n'est pas optimisée à cause de la composition diphasique du courant réfrigérant une fois que les deux phases sont recombinées et introduites dans cet état dans l’échangeur. En effet le courant réfrigérant liquide contient les composés les plus lourds. Ces derniers vont donc se vaporiser à une température plus élevée que des composés plus légers tels que l’azote ou le méthane par exemple. Il est donc utilisé pour produire le froid à une température intermédiaire (typiquement de l’ordre de -30°C- -50°C, pour le pré-refroidissant et la liquéfaction partielle du mélange d'hydrocarbures à liquéfier). Alors que le courant réfrigérant gazeux contient les composés les plus légers. Il est utilisé pour produire le froid à une température plus froide (typiquement inférieure à -100°C), pour la liquéfaction et le sous-refroidissement total du mélange d'hydrocarbures à liquéfier.
Donc, il n’est pas nécessaire que le réfrigérant liquide soit autant sous-refroidi que le réfrigérant gazeux avant d’être détendu et vaporisé en face du courant d’hydrocarbures à liquéfier. Or c’est ce que propose le procédé typique de l’état de la technique tel que décrit dans le paragraphe précédent.
Par ailleurs, dans la demande de brevet US2009/0260392 A1, est décrite la liquéfaction d'une fraction riche en hydrocarbures contre un réfrigérant mixte, ce courant réfrigérant étant séparé dans un séparateur de phases en une phase gazeuse et une phase liquide à la suite d’une étape de compression et de refroidissement dudit réfrigérant mixte. Ensuite, les deux phases du réfrigérant sont refroidies séparément puis recombinées seulement après que les deux phases aient été détendues. Une fois recombinées ces deux phases sont de nouveau introduites dans l’échangeur sous forme d’un courant diphasique et réchauffées contre le gaz naturel qui se liquéfie. Ce « réchauffage » arrive, tant pour la phase liquide du réfrigérant que pour la phase gazeuse, une fois que ces courants du réfrigérant sont détendus.
Les inventeurs de la présente invention ont alors mis au point une solution permettant de résoudre le problème soulevé ci-dessus tout en optimisant les dépenses énergétiques.
La solution proposée est de séparément présenter le courant réfrigérant liquide et le courant réfrigérant gazeux dans l'échangeur de chaleur principal. Le liquide est alors refroidi à un niveau intermédiaire de température, tandis que le gaz est liquéfié et refroidi jusqu'à la sortie la plus froide de l'échangeur thermique principal. Le réfrigérant gazeux liquéfié est alors détendu et réintroduit dans l'échangeur thermique principal. Il est mélangé avec le réfrigérant liquide refroidi et au préalable également détendu, une fois qu'il a atteint le niveau correct de température.
La présente invention a pour objet un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures tel que le gaz naturel à partir d’un courant d’alimentation comprenant au moins les étapes suivantes :
Etape a) : passage du gaz d’alimentation contre un courant réfrigérant mixte à travers un échangeur de chaleur pour fournir un flux d’hydrocarbures au moins partiellement liquéfié ayant une température inférieure à - 140°C ;
Etape b) : extraction d’un courant réfrigérant mixte de l’échangeur de chaleur à partir d’une sortie où la température dans l’échangeur de chaleur est la plus élevée;
Etape c) : compression du réfrigérant mixte issu de l’étape b) suivie d’un refroidissement ;
Etape d) : introduction du réfrigérant mixte issu de l’étape c) dans un moyen séparateur de phases afin de produire un courant réfrigérant gazeux et x courants réfrigérants liquides, x étant un nombre entier compris entre 1 et 10;
Etape e) : passage de chacun des x courants réfrigérants liquides issus de l’étape d) dans l’échangeur de chaleur à partir d’une entrée différente pour chaque courant liquide, chacun desdits courants liquides étant soutiré à une sortie différente, dite intermédiaire, de l’échangeur, caractérisée par son niveau de température, le niveau de température étant le plus chaud T1 pour la sortie du courant liquide comprenant les composants les plus lourds du courant réfrigérant et le niveau de température étant le plus froid T2 pour la sortie du courant liquide comprenant les composants les plus légers du courant réfrigérant ;
Etape f) : passage du courant réfrigérant gazeux issu de l’étape d) dans l’échangeur de chaleur à partir d’une entrée et jusqu’à une sortie à une température T3 dont le niveau est le plus bas des niveaux de température dudit échangeur de chaleur afin de produire un courant liquéfié, puis détente du courant ainsi obtenu.
Plus particulièrement, un objet de la présente invention concerne :
Un procédé tel que défini précédemment comprenant l’étape g) : passage du courant issu de l’étape f) dans l’échangeur de chaleur depuis une entrée à la température T3 jusqu’à une sortie à une température sensiblement égale à la température T2.
Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le courant réfrigérant mixte circule dans le circuit de réfrigération en cycle fermé.
Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que T3 est comprise entre -140°C et -170°C.
Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le courant réfrigérant mixte contient des constituants parmi l’azote, du méthane, de l’éthylène, de l’éthane, du butane et du pentane.
Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce qu’aucune pompe n’est mise en œuvre.
Cela est notamment avantageux en termes de dépenses d’investissement.
Le procédé objet de la présente invention permet d’optimiser l'utilisation des courants réfrigérants liquides et gazeux dans le cycle de liquéfaction étant donné que le liquide, qui contient les composants les plus lourds, ne doit pas être autant sous-refroidi que le réfrigérant gazeux.
Bien que le procédé selon la présente invention soit applicable à divers courants d'alimentation d'hydrocarbures, il est particulièrement adapté pour des courants de gaz naturel à liquéfier. En outre l'homme de l'art comprendra aisément que, après liquéfaction, le gaz naturel liquéfié peut être davantage traité, si désiré. A titre d'exemple, le gaz naturel liquéfié obtenu peut être dépressurisé au moyen d'une vanne de Joule-Thomson ou par l'intermédiaire d'une turbine. En outre, d'autres étapes de traitement intermédiaires entre la séparation gaz / liquide et le refroidissement peuvent être réalisées. Le courant d'hydrocarbures à liquéfier est généralement un flux de gaz naturel obtenu à partir de gaz naturel ou des réservoirs de pétrole. Comme alternative, le flux de gaz naturel peut également être obtenu d'une autre source, comprenant également une source synthétique tel qu'un procédé de Fischer-Tropsch. Habituellement, le flux de gaz naturel est composé essentiellement de méthane. De préférence, le courant d'alimentation comprend au moins 60% mol de méthane, de préférence au moins 80% mol de méthane. En fonction de la source, le gaz naturel peut contenir des quantités d'hydrocarbures plus lourds que le méthane, tels que l'éthane, le propane, le butane et le pentane ainsi que certains hydrocarbures aromatiques. Le flux de gaz naturel peut également contenir des produits non-hydrocarbures tels que H20, N2, C02, H2S et d'autres composés soufrés, et autres.
Le flux d'alimentation contenant le gaz naturel peut être prétraité avant d’être l’introduit dans l’échangeur de chaleur. Ce prétraitement peut comprendre la réduction et/ou l’élimination des composants indésirables tels que le C02 et le H2S, ou d'autres étapes telles que le pré-refroidissement et/ou la mise sous pression. Etant donné que ces mesures sont bien connues de l'homme de l'art, elles ne sont pas davantage détaillées ici. L'expression "gaz naturel" telle qu'utilisée dans la présente demande se rapporte à toute composition contenant des hydrocarbures dont au moins du méthane. Cela comprend une composition « brute » (préalablement à tout traitement tel que nettoyage ou lavage), ainsi que toute composition ayant été partiellement, substantiellement ou entièrement traitée pour la réduction et / ou élimination d'un ou plusieurs composés, y compris, mais sans s'y limiter, le soufre, le dioxyde de carbone, l'eau, et les hydrocarbures ayant deux atomes de carbone ou plus. Le séparateur peut être toute unité, colonne ou arrangement adapté pour séparer le réfrigérant mixte en un courant de réfrigérant vapeur et un flux de réfrigérant liquide. De tels séparateurs sont connus dans l'état de la technique et ne sont pas détaillés ici. L'échangeur de chaleur peut être toute colonne, une unité ou autre agencement adapté pour permettre le passage d'un certain nombre de flux, et ainsi permettre un échange de chaleur direct ou indirect entre une ou plusieurs lignes de fluide réfrigérant, et un ou plusieurs flux d'alimentation. L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant à la figure qui illustre le schéma d’un mode de réalisation particulier d’une mise en oeuvre d’un procédé selon l’invention.
Sur la figure, un flux 1 de gaz naturel éventuellement préalablement prétraité (ayant typiquement subi une séparation d’une partie d’au moins un des constituants suivants : de l’eau, du C02, du méthanol, des composés soufrés) est introduit dans un échangeur de chaleur 2 afin d’être liquéfié.
La figure montre donc un procédé de liquéfaction d'un flux d'alimentation 1. Le courant d'alimentation 1 peut être un courant de gaz naturel prétraité, dans lequel une ou plusieurs substances, telles que du soufre, dioxyde de carbone, de l'eau, sont réduites, de manière à être compatible avec des températures cryogéniques, comme cela est connu dans l’état de la technique.
Facultativement, le courant d'alimentation 1 peut avoir subi une ou plusieurs étapes de pré-refroidissement comme cela est connu dans l’état de la technique. Une ou plusieurs de(s)étape (s) de pré-refroidissement peuvent comporter un ou plusieurs circuits de réfrigération. A titre d'exemple, un courant d'alimentation de gaz naturel est généralement traité à partir d'une température initiale de 30-50°C. Suite à une ou plusieurs étapes de pré-refroidissement, la température du flux d'alimentation de gaz naturel peut être réduite à -30 à -70°C.
Sur la figure, l'échangeur de chaleur 2 est de préférence un échangeur de chaleur cryogénique à bobine enroulée. Les échangeurs de chaleur cryogéniques sont connus dans l’état de la technique, et peuvent avoir divers arrangements de leur(s) flux d'alimentation et des courants de réfrigérant. En outre, de tels échangeurs de chaleur peuvent également avoir une ou plusieurs lignes pour permettre le passage d’autres flux, tels que des courants de réfrigérant pour d'autres étapes d'un procédé de refroidissement, par exemple dans des procédés de liquéfaction. Ces autres lignes ou flux ne sont pas représentés sur la figure pour plus de simplicité.
Le courant d'alimentation 1 entre dans l'échangeur de chaleur 2 via une entrée d'alimentation 3 et passe à travers l'échangeur de chaleur via la ligne 4, puis est extrait de l’échangeur à la sortie 5 pour fournir un flux d'hydrocarbures au moins partiellement liquéfié 6. Ce courant liquéfié 6 est de préférence entièrement liquéfié et même sous-refroidi, et peut être en outre traité comme discuté ci-après. Lorsque le courant liquéfié 6 est du gaz naturel liquéfié, la température peut être d'environ -150 C à -160°C. La liquéfaction du courant d'alimentation 1 est effectuée grâce à un circuit de fluide réfrigérant 7. Dans le circuit de réfrigérant 7 circule un réfrigérant mixte, de préférence étant choisi dans le groupe comprenant l'azote, le méthane, l'éthane, l'éthylène, le propane, le propylène, le butane, le pentane, etc. La composition du réfrigérant mixte peut varier selon les conditions et les paramètres souhaités pour l'échangeur de chaleur 2, comme cela est connu dans l’état de la technique.
Dans l'agencement du fonctionnement de l’échangeur de chaleur 2 représenté sur la figure, un courant réfrigérant gazeux 8 est introduit dans l’échangeur 2 à une entrée 9, puis il passe à travers cette entrée et se liquéfie et se sous-refroidit le long de la ligne 10 à travers l'échangeur de chaleur 2, jusqu’à la sortie 11. La température T3 de la sortie 11 est la plus basse des températures de l’échangeur de chaleur 2. T3 est typiquement comprise entre -140°C et -170°C, par exemple -160°C. Dans son passage à travers la ligne 10, le courant de réfrigérant gazeux 8 est liquéfié tel que le flux de réfrigérant en aval de la sortie 11 est un courant liquide 12. Le courant réfrigérant 12 est alors détendu par exemple à l’aide d’une vanne 13, de manière à fournir un premier courant de réfrigérant à pression réduite 14. Ce flux 14 est ensuite introduit dans l'échangeur de chaleur 2 par l'entrée 15.
Un courant liquide 16 du réfrigérant est introduit dans l’échangeur de chaleur 2 via l'entrée 17, puis passe à travers l’échangeur 2 le long de la ligne 18. Le courant liquide de réfrigérant 16 est évacué de l’échangeur à la sortie 19, à un niveau intermédiaire entre le haut et le bas dudit échangeur, ayant une température T2 supérieure à T3. Par exemple T2 est comprise entre -90°C et -110°C. Le courant de réfrigérant 20 en aval de la sortie 19 est détendu dans un détendeur 21, par exemple une vanne, pour réduire sa pression et former un second flux de réfrigérant à pression réduite 22. Le flux 22 passe ensuite, par l'entrée 23, de nouveau dans l'échangeur de chaleur 2 et va jusqu’à la sortie 24 de l’échangeur de chaleur.
Un autre courant liquide 25 du réfrigérant est introduit dans l’échangeur de chaleur 2 via l'entrée 26, puis passe à travers l’échangeur 2 le long de la ligne 27. Le courant liquide de réfrigérant 25 est évacué de l’échangeur à la sortie 28, à un niveau intermédiaire entre le haut et le bas dudit échangeur, ayant une température T1 supérieure à T2. Par exemple T1 est comprise entre -30°C et -50°C. Le courant de réfrigérant 29 en aval de la sortie 28 est détendu dans un détendeur 30, par exemple une vanne, pour réduire sa pression et former un troisième flux de réfrigérant à pression réduite 31. De préférence, les pressions du premier, du deuxième et du troisième réfrigérant à pression réduite 14, 22 et 31 sont sensiblement les mêmes; par exemple environ 3 bara.
Une fois entré dans l’échangeur de chaleur 2, le courant 14 de réfrigérant se vaporise, au moins partiellement, jusqu’à la sortie 34, puis en aval de cette sortie 34 va rejoindre le flux 22 issu de la détente du courant liquide 16 refroidi du réfrigérant, les deux courants sont alors mélangés dans le courant 22. De la même manière, ce courant réfrigérant 22 est mélangé avec le courant réfrigérant 31 en aval de la sortie 24.
Le flux 31 passe ensuite, par l'entrée 32, de nouveau dans l'échangeur de chaleur 2 et se vaporise totalement jusqu’à la sortie 33 de l’échangeur de chaleur. Un courant réfrigérant 35 gazeux circule dans le circuit 7 de réfrigération en aval de la sortie 33 de l’échangeur de chaleur à température ambiante (c’est à dire la température mesurée dans l’espace où est placé le dispositif de mise en oeuvre du procédé objet de la présente invention. Cette température est par exemple comprise entre -20°C et 45°C). Le courant réfrigérant est comprimé à l’aide d’un compresseur 36. Le procédé de compression est connu de l’état de la technique et le compresseur 36 est par exemple un compresseur à au moins deux sections adiabatiques A et B comprenant donc au moins deux refroidisseurs 37 et 38. Une fois comprimé dans la première section A du compresseur 36, le courant 35 réfrigérant est refroidi à l’aide d’un refroidisseur 37 et est alors partiellement condensé et forme un courant réfrigérant diphasique 39. Par exemple la pression à la sortie de la section A du compresseur 36 est de l’ordre de 18 bara et la température de l’ordre de 130°C. Typiquement la température en sortie du refroidisseur 37 est de l’ordre de 25°C.
Le courant réfrigérant 39 est envoyé vers un séparateur de phases 40 séparant ledit courant réfrigérant diphasique en un courant gazeux 41 et un premier courant liquide 25. Ledit premier courant réfrigérant liquide 25 est constitué des éléments les plus lourds du courant réfrigérant du circuit de réfrigération 7, c'est-à-dire en particulier les composants ayant plus de quatre atomes de carbone. Le courant réfrigérant liquide 25 suit ensuite le chemin décrit plus haut à partir de l’entrée 26 de l’échangeur de chaleur 2.
Le courant réfrigérant gazeux 41 est comprimé dans la section B du compresseur. Typiquement, la pression en sortie de cette section B est de l’ordre de 50 bara. Après cette compression, le courant réfrigérant est partiellement condensé à l’aide du refroidisseur 38 et forme un courant réfrigérant diphasique 42. Typiquement la température est au niveau de la température ambiante. Le courant réfrigérant 42 est envoyé vers un séparateur de phases 43 séparant ledit courant réfrigérant en un courant gazeux 8 et un deuxième courant liquide 16. Ledit deuxième courant réfrigérant liquide 16 est constitué des éléments moins lourds que ceux contenus dans le liquide 25 mais plus lourds que ceux contenus dans le courant gazeux 8. Ce courant réfrigérant liquide 16 suit ensuite le chemin décrit plus haut à partir de l’entrée 17 de l’échangeur de chaleur 2. Le courant réfrigérant gazeux 8 suit ensuite le chemin décrit plus haut à partir de l’entrée 9 de l’échangeur de chaleur 2. Ce courant réfrigérant gazeux 8 contient les éléments les plus légers du courant réfrigérant du circuit de réfrigération 7, c'est-à-dire, typiquement l’azote et le méthane.
Par température sensiblement égale à une autre température, on entend température égale à plus ou moins 5°C.
Le gaz naturel liquéfié 6 à l’issu du procédé objet de la présente invention peut ensuite, par exemple, être transféré à un dispositif de stockage ou de transport.
Le procédé objet de la présente invention procure notamment les avantages suivants : - Une optimisation énergétique du cycle de réfrigération. En effet, les courants réfrigérants liquides ne sont pas sous-refroidis plus que ce qui est nécessaire (typiquement caractérisé par la correspondance entre la température de soutirage de l’échangeur aux points 20 et 28) et la composition du courant réfrigérant vaporisé (ayant les composants les plus légers) à la sortie la plus froide de l'échangeur de chaleur principal est améliorée. - Une optimisation des dépenses d’investissement en réduisant en particulier la taille de l'échangeur réalisant la liquéfaction de la fraction riche en hydrocarbures car aucune pompe n’est mise en œuvre dans le circuit de réfrigération.
Claims (6)
- REVENDICATIONS1. Procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures tel que le gaz naturel à partir d’un courant d’alimentation (1) comprenant au moins les étapes suivantes : Etape a) : passage du gaz d’alimentation (1) contre un courant réfrigérant mixte à travers un échangeur de chaleur (2) pour fournir un flux d’hydrocarbures au moins partiellement liquéfié ayant une température inférieure à - 140°C ; Etape b) : extraction d’un courant réfrigérant mixte (35) de l’échangeur de chaleur (2) à partir d’une sortie (33) où la température dans l’échangeur de chaleur est la plus élevée; Etape c) : compression du réfrigérant mixte issu de l’étape b) suivie d’un refroidissement ; Etape d) : introduction du réfrigérant mixte (35) issu de l’étape c) dans un moyen (40) séparateur de phases afin de produire un courant réfrigérant gazeux (8) et x courants réfrigérants liquides (25), x étant un nombre entier compris entre 1 et 10; Etape e) : passage de chacun des x courants réfrigérants liquides (25) issus de l’étape d) dans l’échangeur de chaleur (2) à partir d’une entrée différente pour chaque courant liquide, chacun desdits courants liquides étant soutiré à une sortie différente (28, 19), dite intermédiaire, de l’échangeur (2), caractérisée par son niveau de température, le niveau de température étant le plus chaud (T1) pour la sortie du courant liquide comprenant les composants les plus lourds du courant réfrigérant et le niveau de température étant le plus froid (T2) pour la sortie du courant liquide comprenant les composants les plus légers du courant réfrigérant ; Etape f) : passage du courant réfrigérant gazeux (8) issu de l’étape d) dans l’échangeur de chaleur (2) à partir d’une entrée (9) et jusqu’à une sortie (11) à une température T3 dont le niveau est le plus bas des niveaux de température dudit échangeur de chaleur (2) afin de produire un courant liquéfié (12), puis détente du courant ainsi obtenu.
- 2. Procédé selon la revendication précédente comprenant l’étape g) : passage du courant (14) issu de l’étape f) dans l’échangeur de chaleur (2) depuis une entrée (15) à la température T3 jusqu’à une sortie (34) à une température sensiblement égale à la température T2.
- 3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant réfrigérant mixte circule dans le circuit de réfrigération (7) en cycle fermé.
- 4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que T3 est comprise entre -140°C et -170°C.
- 5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant (35) réfrigérant mixte contient des constituants parmi l’azote, du méthane, de l’éthylène, de l’éthane, du butane et du pentane.
- 6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’aucune pompe n’est mise en œuvre.
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