FR3068770A1 - Dispositif et procede de liquefaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz - Google Patents

Dispositif et procede de liquefaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz Download PDF

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Abstract

Le dispositif (100) de liquéfaction d'un gaz naturel ou d'un biogaz, comporte : - un premier compresseur (105) d'un premier composé réfrigérant vaporisé, - un premier échangeur (110) thermique de refroidissement du premier composé réfrigérant comprimé, - un premier corps (115) d'échange de chaleur, - un moyen (120) de détente du premier composé réfrigérant refroidi dans le premier corps d'échange, - un deuxième compresseur (125) d'un deuxième composé réfrigérant vaporisé, - un deuxième échangeur (130) thermique de refroidissement du deuxième composé réfrigérant comprimé, - un deuxième corps (135) d'échange de chaleur, - un moyen (140) de détente du deuxième composé réfrigérant refroidi dans le deuxième corps d'échange et un troisième corps (145) d'échange de chaleur entre le premier composé réfrigérant détendu et le deuxième composé refroidi en sortie du deuxième échangeur thermique, le deuxième composé refroidi dans le troisième corps étant fourni au premier corps d'échange de chaleur.

Description

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
La présente invention vise un dispositif et un procédé de liquéfaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz. Elle s’applique, notamment, au domaine du gaz naturel liquéfié, de la liquéfaction de gaz naturel, du transport de gaz naturel, du biogaz et au domaine de la liquéfaction du gaz d’évaporation.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Aujourd’hui, l’exploitation des ressources de gaz en mer (« offshore, en anglais) ou proche des côtes (« near-shore » en anglais) est en plein essor conduisant à utiliser des solutions technologiques adaptées aux environnements marins dîtes « FLNG » (pour « Floating Liquefied Naturel Gas », traduit par Gaz Naturel Liquéfié Flottant).
Ces opportunités sont néanmoins trop petites pour justifier l’emploi des technologies destinées à la production à grandes échelle (l’utilisation des technologies à grande échelle nécessitent des tailles importantes pour le FLNG, car la flottabilité de l’installation est contrainte par le poids), d’où la nécessité de proposer de nouvelles technologies qui puissent répondre aux trois principaux défis concernant la liquéfaction à moyenne échelle (comprise entre 0,5 et 3 MTPA, pour tonne métrique par an) :
- Modèle économique : L’objectif est de réduire les coûts d’investissement autant que possible tout en conservant une efficacité aussi élevée que possible afin de minimiser les coûts opérationnels. Il est important de noter qu’une baisse de coûts d’investissement engendre une hausse des coûts opérationnels car les procédés sont moins efficaces.
- Efficacité du procédé pour minimiser la perte de produit, les volumes de gaz à valoriser étant faibles, chaque molécule est donc importante.
- Réduire au maximum les risques sanitaire, sécuritaires et environnementaux, les petites usines étant en effet potentiellement de plus en plus proches des villes et collectivités.
- Maîtriser le poids des installations, ce paramètre étant critique en environnement offshore
- Rendre le procédé compatible avec l’environnement marin où il est réalisé.
- Ménager l’aspect logistique en termes d’approvisionnement en réfrigérant et en utilités.
On connaît trois types de procédés de liquéfaction :
- les procédés à cycle fermé avec changement de phase du réfrigérant, ce dernier pouvant être un corps pur ou un mélange réfrigérant afin d'améliorer l'efficacité,
- les procédés à cycle fermé de Brayton ou à détente (expansion cycle) dans lequel le réfrigérant reste à l’état gazeux et
- les procédés à cycle ouvert, dans lequel le froid n’est pas créé mais apporté par un médium extérieur, typiquement de l’azote liquide, et où la liquéfaction du gaz naturel résulte d’un simple échange de chaleur avec le médium de froid qui se vaporise ; ce type de procédé est généralement utilisé dans des laboratoires ou pour des applications très ponctuelles nécessitant très peu de performance et beaucoup de simplicité, c’est-à-dire notamment pour l’extraction de micro-capacités de gaz dans un contexte logistique très favorable où la disponibilité d’azote liquide présente un relativement faible coût et une distance relativement proche du site de liquéfaction.
Les procédés à cycle fermé avec changement de phase présentent les inconvénients de nécessiter des investissements capitalistiques importants, d’être complexes dans leur mise en œuvre et de nécessiter des équipements volumineux.
Les procédés de Brayton présentent les inconvénients de présenter une performance énergétique faible, de nécessiter des investissements capitalistiques et des coûts d’exploitation importants et de nécessiter des équipements volumineux.
Les procédés à cycle ouvert présentent les inconvénients de présenter une performance énergétique faible et un coût en approvisionnement énergétique élevé.
OBJET DE L’INVENTION
La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients.
Pour remédier à tout ou partie de ces inconvénients, la présente invention propose un procédé et un dispositif ayant pour principe général le refroidissement par des échanges thermiques successifs entre le gaz naturel ou le biogaz avec des corps ou mélanges réfrigérants. De cette manière, la température du biogaz ou du gaz naturel est progressivement abaissée jusqu’à la liquéfaction dudit biogaz ou gaz naturel.
Ce refroidissement inclut un pré-refroidissement par échange thermique entre le gaz naturel ou le biogaz et un premier composé réfrigérant pur refroidi.
Ce refroidissement inclut un échange thermique entre le gaz naturel ou le biogaz et un deuxième composé réfrigérant.
En aval des étapes de pré-refroidissement et de refroidissement, un échange de chaleur a lieu entre le premier composé et le deuxième composé réfrigérant.
Préférentiellement, le procédé et le dispositif objets de la présente invention comportent une étape de refroidissement additionnelle, en aval de l’étape de refroidissement, entre le gaz naturel ou le biogaz et un troisième composé réfrigérant refroidi. Le troisième composé réfrigérant réchauffé au cours de l’étape additionnelle de refroidissement est fourni à l’étape de refroidissement. Ainsi, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif de liquéfaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz, qui comporte :
- un premier compresseur d’un premier composé réfrigérant vaporisé,
- un premier échangeur thermique de refroidissement du premier composé réfrigérant comprimé,
- un premier corps d’échange de chaleur entre :
- le gaz et le premier composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le premier composé réfrigérant vaporisé au cours de cet échange de chaleur étant fourni au premier compresseur,
- le premier composé réfrigérant détendu et le premier composé refroidi, le premier composé refroidi liquéfié étant fourni à un moyen de détente du premier composé,
- un moyen de détente du premier composé réfrigérant refroidi dans le premier corps d’échange,
- un deuxième compresseur d’un deuxième composé réfrigérant vaporisé,
- un deuxième échangeur thermique de refroidissement du deuxième composé réfrigérant comprimé,
- un deuxième corps d’échange de chaleur entre :
- le gaz et le deuxième composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le deuxième composé réfrigérant vaporisé étant fourni au deuxième compresseur,
- le deuxième composé réfrigérant détendu et le deuxième composé refroidi, le deuxième composé refroidi étant fourni à un moyen de détente du deuxième composé,
- un moyen de détente du deuxième composé réfrigérant refroidi dans le deuxième corps d’échange et
- un troisième corps d’échange de chaleur entre le premier composé réfrigérant détendu et le deuxième composé refroidi en sortie du deuxième échangeur thermique, le deuxième composé refroidi dans le troisième corps étant fourni au premier corps d’échange de chaleur.
Grâce à ces dispositions, le dispositif objet de la présente invention présente les avantages de :
- supprimer la présence d’hydrocarbures lourds dans les mélanges réfrigérants, pouvant engendrer des problèmes/risques de cristallisation en section cryogénique,
- réduire le nombre de composé chimiques différents utilisés comme réfrigérant afin de limiter les capacités de stockage nécessaires,
- remplacer les hydrocarbures ou composé dangereux (inflammables/explosif/toxique) par des composés non inflammables et non explosifs et
- minimiser le poids de l’installation pour des contraintes de flottabilité et avoir un procédé le plus compact possible (le poids de l’installation étant un critère technique critique pour la flottabilité de l’installation en environnement offshore).
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte :
- un troisième compresseur d’un troisième composé réfrigérant gazeux,
- un troisième échangeur thermique de refroidissement du troisième composé réfrigérant comprimé et
- en aval du premier corps d’échange, un moyen de détente du troisième composé réfrigérant, le troisième composé réfrigérant détendu étant fourni au premier corps d’échange.
le premier corps d’échange de chaleur étant configuré pour réaliser, de plus, un échange de chaleur entre :
- le gaz et le troisième composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le troisième composé réfrigérant chauffé étant fourni au troisième compresseur,
- le premier composé réfrigérant et le troisième composé refroidi en sortie du troisième échangeur thermique et
- le troisième composé réfrigérant détendu et le troisième composé refroidi en sortie du troisième échangeur thermique.
Ces modes de réalisation permettent d’optimiser le refroidissement et la liquéfaction du gaz.
Dans des modes de réalisation, le deuxième corps d’échange de chaleur est configuré pour réaliser, de plus, un échange de chaleur entre :
- le gaz et le troisième composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le troisième composé réfrigérant chauffé étant fourni au premier corps d’échange,
- le deuxième composé réfrigérant et le troisième composé refroidi en sortie du premier corps d’échange, le troisième composé refroidi dans le deuxième corps d’échange étant fourni au moyen de détente du troisième composé et
- le troisième composé réfrigérant détendu et le troisième composé refroidi en sortie du premier corps d’échange.
Ces modes de réalisation permettent d’optimiser le refroidissement et la liquéfaction du gaz.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte un quatrième corps d’échange de chaleur est configuré pour réaliser un échange de chaleur entre :
- le gaz et le troisième composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le troisième composé réfrigérant chauffé étant fourni au deuxième corps d’échange et
- le troisième composé réfrigérant détendu et le troisième composé refroidi en sortie du deuxième corps d’échange, le troisième composé refroidi dans le deuxième corps d’échange étant fourni au moyen de détente du troisième composé.
Ces modes de réalisation permettent d’optimiser le refroidissement et la liquéfaction du gaz.
Dans des modes de réalisation, au moins l’un des composés réfrigérant est un corps pur.
Dans des modes de réalisation, le premier composé est de l’ammoniac ou du propane.
Dans des modes de réalisation, le deuxième composé est du dioxyde de carbone.
Dans des modes de réalisation, le troisième composé est de l’azote.
Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de liquéfaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz, qui comporte :
- une première étape de compression d’un premier composé réfrigérant vaporisé,
- une première étape d’échange thermique de refroidissement du premier composé réfrigérant comprimé,
- une première étape d’échange de chaleur entre :
- le gaz et le premier composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le premier composé réfrigérant vaporisé au cours de cet échange de chaleur étant fourni à la première étape de compression,
- le premier composé réfrigérant détendu et le premier composé refroidi, le premier composé refroidi liquéfié étant fourni à une étape de détente du premier composé,
- une étape de détente du premier composé réfrigérant refroidi dans la première étape d’échange de chaleur,
- une deuxième étape de compression d’un deuxième composé réfrigérant vaporisé,
- une deuxième étape d’échange thermique de refroidissement du deuxième composé réfrigérant comprimé,
- une deuxième étape d’échange de chaleur entre :
- le gaz et le deuxième composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le deuxième composé réfrigérant vaporisé étant fourni la deuxième étape de compression,
- le deuxième composé réfrigérant détendu et le deuxième composé refroidi, le deuxième composé refroidi étant fourni à une étape de détente du deuxième composé,
- une étape de détente du deuxième composé réfrigérant refroidi dans la deuxième étape d’échange de chaleur et
- une troisième étape d’échange de chaleur entre le premier composé réfrigérant détendu et le deuxième composé refroidi en sortie de la deuxième étape d’échange thermique, le deuxième composé refroidi dans la troisième étape d’échange de chaleur étant fourni à la première étape d’échange de chaleur.
Dans des modes de réalisation, le procédé objet de la présente invention comporte :
- une troisième étape de compression d’un troisième composé réfrigérant gazeux,
- une troisième étape d’échange thermique de refroidissement du troisième composé réfrigérant comprimé et
- en aval de la première étape d’échange de chaleur, une étape de détente du troisième composé réfrigérant, le troisième composé réfrigérant détendu étant fourni à la première étape d’échange de chaleur.
la première étape d’échange de chaleur étant configurée pour réaliser, de plus, un échange de chaleur entre :
- le gaz et le troisième composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le troisième composé réfrigérant chauffé étant fourni à la troisième étape de compression,
- le premier composé réfrigérant et le troisième composé refroidi en sortie de la troisième étape d’échange thermique et
- le troisième composé réfrigérant détendu et le troisième composé refroidi en sortie de la troisième étape d’échange thermique.
Dans des modes de réalisation, la deuxième étape d’échange de chaleur est configurée pour réaliser, de plus, un échange de chaleur entre :
- le gaz et le troisième composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le troisième composé réfrigérant chauffé étant fourni à la première étape d’échange de chaleur,
- le deuxième composé réfrigérant et le troisième composé refroidi en sortie de la première étape d’échange de chaleur, le troisième composé refroidi dans la deuxième étape d’échange de chaleur étant fourni à l’étape de détente du troisième composé et
- le troisième composé réfrigérant détendu et le troisième composé refroidi en sortie de la première étape d’échange de chaleur.
Les buts, avantages et caractéristiques particulières du procédé objet de la présente invention étant similaires à ceux du dispositif objet de la présente invention, ils ne sont pas rappelés ici.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du dispositif et du procédé objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 représente, schématiquement, un mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention,
- la figure 2 représente, schématiquement, un mode de réalisation particulier d’une embarcation comportant un dispositif objet de la présente invention et
- la figure 3 représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une succession d’étapes particulière du procédé objet de la présente invention.
DESCRIPTION D’EXEMPLES DE RÉALISATION DE L’INVENTION
La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.
On note dès à présent que les figures ne sont pas à l’échelle.
On surnomme par la suite « gaz », du gaz naturel ou du biogaz entrant dans le dispositif ou procédé objets de la présente invention afin d’être liquéfié.
La présente invention propose un procédé et un dispositif ayant pour principe général le refroidissement par des échanges thermiques successifs entre le gaz naturel ou le biogaz avec des composés ou mélanges réfrigérants. De cette manière, la température du biogaz ou du gaz naturel est progressivement abaissée jusqu’à la liquéfaction dudit biogaz ou gaz naturel.
Ce refroidissement par étapes inclut un pré-refroidissement par échange thermique entre le gaz naturel ou le biogaz, un premier mélange réfrigérant refroidi et, optionnellement, un autre mélange refroidi, dit « troisième mélange ». Cet étage de pré-refroidissement correspond au premier corps d’échange de chaleur 115 tel que décrit en regard de la figure 1 et à la première étape d’échange de chaleur 315 telle que décrite en regard de la figure 3. Le gaz pré-refroidit étant alors fourni à la deuxième étape de d’échange de chaleur 335 ou au deuxième corps d’échange de chaleur 135.
Ce refroidissement par étapes inclut, en guise de refroidissement principal, une étape d’échange de chaleur entre le gaz naturel ou le biogaz, un deuxième mélange réfrigérant et, optionnellement, le troisième mélange refroidi. Ce refroidissement est réalisé après l’étape de pré-refroidissement mentionnée cidessus. Il est toutefois possible que le gaz quittant cette étape ne soit pas encore complètement liquéfié, et le refroidissement par étapes inclut alors, préférentiellement, une étape de refroidissement additionnelle, ou étape de liquéfaction du gaz, en aval de l’étape de refroidissement principal.
Un échange de chaleur a lieu entre le premier mélange réfrigérant et le deuxième mélange réfrigérant de sorte à ce que le premier mélange détendu soit refroidi par le deuxième mélange refroidi dans l’échangeur thermique 130.
Au cours de cette étape de liquéfaction, la température du gaz est de nouveau abaissée de manière à ce que le gaz soit sensiblement liquéfié. Cette étape de liquéfaction peut être réalisée en aval du procédé objet de la présente invention par un dispositif tiers.
Ainsi, comme on le comprend, le gaz entrant dans le procédé est graduellement liquéfié par l’échange de chaleur entre :
- le gaz et un premier mélange au cours de l’étape de pré-refroidissement,
- optionnellement, le gaz et un troisième mélange au cours de l’étape de prérefroidissement,
- le gaz, un deuxième mélange réfrigérant au cours de l’étape de refroidissement,
- optionnellement, le gaz et le troisième mélange au cours de l’étape de refroidissement et
- optionnellement, le gaz et le troisième mélange réfrigérant si le procédé inclut une étape de liquéfaction.
On observe, sur la figure 1, qui n’est pas à l’échelle, une vue schématique d’un mode de réalisation du dispositif 100 objet de la présente invention. Le dispositif 100 de liquéfaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz comporte :
- un premier compresseur 105 d’un premier composé réfrigérant vaporisé,
- un premier échangeur 110 thermique de refroidissement du premier composé réfrigérant comprimé,
- un premier corps 115 d’échange de chaleur entre :
- le gaz et le premier composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le premier composé réfrigérant vaporisé au cours de cet échange de chaleur étant fourni au premier compresseur 105,
- le premier composé réfrigérant détendu et le premier composé refroidi, le premier composé refroidi liquéfié étant fourni à un moyen 120 de détente du premier composé,
- un moyen 120 de détente du premier composé réfrigérant refroidi dans le premier corps d’échange 115,
- un deuxième compresseur 125 d’un deuxième composé réfrigérant vaporisé,
- un deuxième échangeur 130 thermique de refroidissement du deuxième composé réfrigérant comprimé,
- un deuxième corps 135 d’échange de chaleur entre :
- le gaz et le deuxième composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le deuxième composé réfrigérant vaporisé étant fourni au deuxième compresseur 125,
- le deuxième composé réfrigérant détendu et le deuxième composé refroidi, le deuxième composé refroidi étant fourni à un moyen 140 de détente du deuxième composé,
- un moyen 140 de détente du deuxième composé réfrigérant refroidi dans le deuxième corps d’échange 135 et
- un troisième corps 145 d’échange de chaleur entre le premier composé réfrigérant détendu et le deuxième composé refroidi en sortie du deuxième échangeur 130 thermique, le deuxième composé refroidi dans le troisième corps 145 étant fourni au premier corps 115 d’échange de chaleur.
Préalablement à l’injection du gaz dans le premier corps 115 d’échange, ce gaz peut être traité dans un dispositif (non référencé) de traitement. Le gaz entrant dans le dispositif 100 présente, par exemple, une température inférieure à 50 °C et une pression supérieure à 30 bar.
Le premier compresseur 105 est, par exemple, un compresseur centrifuge ou alternatif. Ce compresseur 105 permet, par exemple, d’élever la pression du premier composé à environ 35 bar.
Le premier échangeur 110 thermique est, par exemple, un échangeur tubulaire utilisant en tant que fluide froid de l’eau ou un échangeur aéro-réfrigérant utilisant de l’air en tant que fluide froid. Ce premier échangeur 110 thermique vise à refroidir le premier composé réfrigérant comprimé à une température comprise, par exemple, entre 10 et 25 °C, par exemple 15°C.
Ce premier corps 115 d’échange présente deux extrémités :
- l’une, dite « chaude », correspond à la partie du premier corps 115 à proximité de l’entrée de gaz dans ce premier corps 115 d’échange et
- l’autre, dite « froide », correspond à la partie du premier corps 115 à proximité de la sortie de gaz refroidi de ce premier corps 115 d’échange.
Préférentiellement, le premier composé refroidi sortant du premier échangeur 110 est injecté dans le premier corps 115 d’échange au niveau de l’extrémité chaude du premier corps 115 d’échange. Le premier composé est liquéfié et sous-refroidi au cours de l’échange de chaleur avec le premier composé détendu.
Le premier composé réfrigérant traversant le premier corps 115 d’échange participe au refroidissement du gaz et du premier composé réfrigérant refroidi par le premier échangeur 110 thermique.
Le premier composé réfrigérant vaporisé au cours de l’échange thermique réalisé dans le premier corps 115 d’échange est fourni au premier compresseur 105 de manière à former un cycle.
Le premier composé sous refroidi et liquéfié est détendu dans le moyen 120 de détente du premier composé. Le moyen 120 de détente est, par exemple, une vanne Joule-Thomson réalisant une détente isenthalpique du premier composé. Le premier composé refroidi est détendu à une pression, par exemple, de 2,5 à 4 bar. Dans des variantes, le moyen de détente 120 est une turbine de détente. Une telle turbine de détente permet de récupérer l’énergie de détente pour entraîner les moyens de compression du dispositif 100 et ainsi améliorer l’efficacité énergétique du procédé.
Cette détente vise à obtenir un flux (d’ammoniac) s’évaporant à la température -10°Cà-12°C.
Le premier composé détendu est ensuite fourni au premier corps 115 d’échange de manière à participer au refroidissement du gaz et du premier composé refroidi par le premier échangeur 110 thermique.
Le premier corps 115 d’échange de chaleur est, par exemple, un échangeur à plaques.
Ainsi, plusieurs échanges de chaleur ont lieu au sein du premier corps 115 d’échange :
- un premier échange entre le gaz et le premier composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le premier composé réfrigérant vaporisé étant fourni au premier compresseur 105 et
- un deuxième échange entre le premier composé réfrigérant détendu et le premier composé refroidi, le premier composé refroidi étant fourni au moyen 120 de détente du premier composé.
Le premier corps 115 d’échange est configuré pour qu’en sortie, le gaz présente préférentiellement une température comprise entre 0°C et -10°C.
Le deuxième compresseur 125 est, par exemple, un compresseur centrifuge, alternatif ou compresseur à pistons si le deuxième composé est du dioxyde de carbone. Ce compresseur 125 permet, par exemple, d’élever la pression du deuxième composé comprise entre 20 et 50 bar.
Le deuxième échangeur 130 thermique est, par exemple, un échangeur tubulaire utilisant en tant que fluide froid de l’eau ou de l’eau glycolée ou un échangeur aéro-réfrigérant utilisant de l’air en tant que fluide froid. Ce premier échangeur 130 thermique vise à refroidir le deuxième composé réfrigérant comprimé à une température comprise, par exemple, entre 5 et 20 °C, par exemple 15°C.
Le deuxième corps 135 d’échange présente deux extrémités :
- l’une, dite «chaude», correspond à la partie du deuxième corps 135 à proximité de l’entrée de gaz dans ce deuxième corps 135 d’échange et
- l’autre, dite «froide», correspond à la partie du deuxième corps 135 à proximité de la sortie de gaz refroidi de ce deuxième corps 135 d’échange.
Préférentiellement, le deuxième composé refroidi sortant du deuxième échangeur 130 est injecté dans le deuxième corps 135 d’échange au niveau de l’extrémité chaude du deuxième corps 135 d’échange. Le deuxième composé est liquéfié et sous-refroidi au cours de l’échange de chaleur avec le deuxième composé détendu.
Le deuxième composé réfrigérant traversant le deuxième corps 135 d’échange participe au refroidissement du gaz et du deuxième composé réfrigérant refroidi par le deuxième échangeur 130 thermique.
Le deuxième composé réfrigérant vaporisé au cours de l’échange thermique réalisé dans le deuxième corps 135 d’échange est fourni au deuxième compresseur 125 de manière à former un cycle.
Le deuxième composé sous refroidi et préférentiellement liquéfié est détendu dans le moyen 140 de détente du deuxième composé. Le moyen 140 de détente est, par exemple, une vanne Joule-Thomson réalisant une détente isenthalpique du deuxième composé. Le deuxième composé refroidi est détendu à une pression, par exemple, comprise entre 8 et 10 bar. Dans des variantes, le moyen de détente 140 est une turbine de détente. Une telle turbine de détente permet de récupérer l’énergie de détente pour entraîner les moyens de compression du dispositif 100 et ainsi améliorer l’efficacité énergétique du procédé.
Le deuxième composé détendu est ensuite fourni au deuxième corps 135 d’échange de manière à participer au refroidissement du gaz et du premier composé refroidi par le premier échangeur 130 thermique.
Le deuxième corps 135 d’échange de chaleur est, par exemple, un échangeur à plaques.
Ainsi, plusieurs échanges de chaleur ont lieu au sein du deuxième corps 135 d’échange :
- un premier échange entre le gaz et le deuxième composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le deuxième composé réfrigérant vaporisé étant fourni au deuxième compresseur 125 et
- un deuxième échange entre le deuxième composé réfrigérant détendu et le deuxième composé refroidi, le deuxième composé refroidi étant fourni au moyen 140 de détente du deuxième composé.
Le deuxième corps 135 d’échange est configuré pour qu’en sortie, le gaz présente préférentiellement une température comprise entre -30°C et -40°C.
En plus des échanges de chaleur réalisés dans le premier corps 115 et le deuxième corps 135 d’échange de chaleur, le dispositif 100 comporte un troisième corps 145 d’échange de chaleur entre le premier composé réfrigérant détendu et le deuxième composé refroidi en sortie du deuxième échangeur 125 thermique, le deuxième composé refroidi dans le troisième corps 145 étant fourni au premier corps 115 d’échange de chaleur.
Le troisième corps d’échange de chaleur est par exemple, un échangeur à plaque. De préférence, le premier composé est refroidi à une température comprise entre-11°C et-13°C.
La pression de sortie du deuxième composé réfrigérant est fixée en fonction des pertes de charges du circuit du premier composé réfrigérant telle manière à ce que le premier composé réfrigérant s’évapore à une température de -10°C à -12°C, préférentiellement. En sortie du troisième corps 145 d’échange, le deuxième composé est refroidi, partiellement ou complètement liquéfié.
Dans des modes de réalisation préférentiels, tels que celui représenté en figure 1, le dispositif 100 comporte :
- un troisième compresseur 150 d’un troisième composé réfrigérant gazeux,
- un troisième échangeur 155 thermique de refroidissement du troisième composé réfrigérant comprimé et
- en aval du premier corps 115 d’échange, un moyen 160 de détente du troisième composé réfrigérant, le troisième composé réfrigérant détendu étant fourni au premier corps d’échange.
le premier corps 115 d’échange de chaleur étant configuré pour réaliser, de plus, un échange de chaleur entre :
- le gaz et le troisième composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le troisième composé réfrigérant chauffé étant fourni au troisième compresseur,
- le premier composé réfrigérant et le troisième composé refroidi en sortie du troisième échangeur thermique et
- le troisième composé réfrigérant détendu et le troisième composé refroidi en sortie du troisième échangeur thermique.
Le troisième compresseur 150 est, par exemple, un compresseur centrifuge ou alternatif. Ce compresseur 150 permet, par exemple, d’élever la pression du troisième composé à une pression supérieure à 40 bar.
Préférentiellement, ce troisième compresseur 150 comprime le troisième composé réfrigérant en deux étapes de compression successives. Dans des variantes, le troisième composé comprimé est refroidi par un échangeur de chaleur (non représenté) avant d’être comprimé dans la deuxième étape de compression. Cet échangeur de chaleur (non représenté) est, par exemple, un échangeur tubulaire utilisant en tant que fluide froid de l’air ou de l’eau. L’échangeur de chaleur réalisé entre les deux étapes de compression vise à ce que le troisième composé réfrigérant ne dépasse pas la température de 200°C.
Le troisième échangeur 155 thermique est, par exemple, un échangeur tubulaire utilisant en tant que fluide froid de l’eau ou un échangeur aéro-réfrigérant utilisant de l’air en tant que fluide froid. Ce troisième échangeur 155 thermique vise à refroidir le troisième composé réfrigérant comprimé à une température comprise, par exemple, entre 7° et 25 °C de préférence
Le moyen 160 de détente est, par exemple, une turbine de détente ou une vanne Joule-Thomson. Ce moyen 160 de détente est configuré, par exemple, pour détendre le troisième composé refroidi à une pression comprise entre 3 et 5 bar. Dans des variantes, le moyen de détente 160 est une turbine de détente. Une telle turbine de détente permet de récupérer l’énergie de détente pour entraîner les moyens de compression du dispositif 100 et ainsi améliorer l’efficacité énergétique du procédé.
Dans des modes de réalisation préférentiels, tels que celui représenté en figure 1, le deuxième corps 135 d’échange de chaleur est configuré pour réaliser, de plus, un échange de chaleur entre :
- le gaz et le troisième composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le troisième composé réfrigérant chauffé étant fourni au premier corps 115 d’échange,
- le deuxième composé réfrigérant et le troisième composé refroidi en sortie du premier corps 115 d’échange, le troisième composé refroidi dans le deuxième corps 135 d’échange étant fourni au moyen 160 de détente du troisième composé et
- le troisième composé réfrigérant détendu et le troisième composé refroidi en sortie du premier corps 135 d’échange.
Dans des modes de réalisation préférentiels, tels que celui représenté en figure 1, le dispositif 100 objet de la présente invention comporte un quatrième corps 165 d’échange de chaleur est configuré pour réaliser un échange de chaleur entre :
- le gaz et le troisième composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le troisième composé réfrigérant chauffé étant fourni au deuxième corps 135 d’échange et
- le troisième composé réfrigérant détendu et le troisième composé refroidi en sortie du deuxième corps 135 d’échange, le troisième composé refroidi dans le deuxième corps 135 d’échange étant fourni au moyen 160 de détente du troisième composé.
Le quatrième corps 165 d’échange est configuré pour qu’en sortie, le gaz présente préférentiellement une température comprise entre -150°C et -160°C.
Le quatrième corps 165 d’échange de chaleur est, par exemple, un échangeur à plaques.
Préférentiellement, au moins l’un des composés réfrigérant est un corps pur. Préférentiellement, le premier composé est de l’ammoniac ou du propane. Préférentiellement, le deuxième composé est du dioxyde de carbone. Préférentiellement, le troisième composé est de l’azote.
Le dioxyde de carbone peut être collecté par un collecteur (non référencé) de dioxyde de carbone, configuré pour collecter le dioxyde de carbone issu d’un dispositif de traitement (non référencé) du gaz en amont du dispositif 1000.
L’utilisation de dioxyde de carbone en tant que composé réfrigérant permet de réduire :
- le débit de réfrigérant et donc la taille du compresseur nécessaire en comparaison d’un procédé n’utilisant pas de dioxyde de carbone en tant que réfrigérant et
- le nombre de composés chimiques utilisés dans ce réfrigérant, en supprimant l’utilisation des composés C2+ (éthane et hydrocarbures plus lourds) potentiellement cristallisables pour la liquéfaction du gaz.
Préférentiellement, au moins un composé circule à contre-courant du gaz dans au moins un corps d’échange de chaleur.
Dans des variantes, le gaz à liquéfier est injecté dans une colonne de fractionnement entre le premier et le deuxième corps d’échange de chaleur.
Ainsi, comme on le comprend à la lecture de la présente description, le gaz est liquéfié à la suite d’une pluralité de refroidissements, chaque refroidissement mettant en jeu au moins un composé réfrigérant différent. Dans des modes de réalisation préférentiels, le gaz est d’abord pré-refroidit par échange de chaleur avec de l’azote et du propane ou de l’ammoniac, puis refroidit par échange de chaleur avec de l’azote et du dioxyde de carbone puis liquéfié par échange de chaleur avec de l’azote.
Ainsi, le présent dispositif 100 permet, dans des modes de réalisation préférentiels :
- de réduire la taille des tailles compresseurs centrifuge et des puissances associées et donc de la consommation d’énergie du dispositif,
- de rendre plus compact le dispositif 100, par une réduction des tailles des canalisations utilisant du dioxyde de carbone,
- de simplifier la logistique mis en œuvre, par une réduction du débit de composé réfrigérant et une réduction des nécessités de capacités de stockage sur site et
- d’augmenter la flexibilité opératoire du dispositif 100.
On observe, schématiquement, en figure 2, un mode de réalisation particulier d’une embarcation 200 comportant le dispositif tel que décrit en regard de la figure 1.
On observe, schématiquement, en figure 3, un logigramme d’étapes particulier du procédé 300 objet de la présente invention. Ce procédé 300 de liquéfaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz, comporte :
- une première étape 305 de compression d’un premier composé réfrigérant vaporisé,
- une première étape 310 d’échange thermique de refroidissement du premier composé réfrigérant comprimé,
- une première étape 315 d’échange de chaleur entre :
- le gaz et le premier composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz 315a, le premier composé réfrigérant vaporisé au cours de cet échange de chaleur étant fourni à la première étape de compression,
- le premier composé réfrigérant détendu et le premier composé refroidi 315b, le premier composé refroidi liquéfié étant fourni à une étape de détente du premier composé,
- une étape 320 de détente du premier composé réfrigérant refroidi dans la première étape d’échange de chaleur,
- une deuxième étape 325 de compression d’un deuxième composé réfrigérant vaporisé,
- une deuxième étape 330 d’échange thermique de refroidissement du deuxième composé réfrigérant comprimé,
- une deuxième étape 335 d’échange de chaleur entre :
- le gaz et le deuxième composé réfrigérant détendu 335a pour refroidir le gaz, le deuxième composé réfrigérant vaporisé étant fourni la deuxième étape de compression,
- le deuxième composé réfrigérant détendu et le deuxième composé refroidi 335b, le deuxième composé refroidi étant fourni à une étape de détente du deuxième composé,
- une étape 340 de détente du deuxième composé réfrigérant refroidi dans la deuxième étape d’échange de chaleur et
- une troisième étape 345 d’échange de chaleur entre le premier composé réfrigérant détendu et le deuxième composé refroidi en sortie de la deuxième étape d’échange thermique, le deuxième composé refroidi dans la troisième étape d’échange de chaleur étant fourni à la première étape d’échange de chaleur.
Dans des modes de réalisation préférentiels, tels que celui représenté en figure 3, le procédé 300 comporte :
- une troisième étape 350 de compression d’un troisième composé réfrigérant gazeux,
- une troisième étape 355 d’échange thermique de refroidissement du troisième composé réfrigérant comprimé et
- en aval de la première étape 315 d’échange de chaleur, une étape 360 de détente du troisième composé réfrigérant, le troisième composé réfrigérant détendu étant fourni à la première étape d’échange de chaleur.
la première étape d’échange de chaleur étant configurée pour réaliser, de plus, un échange de chaleur entre :
- le gaz et le troisième composé réfrigérant détendu 315c pour refroidir le gaz, le troisième composé réfrigérant chauffé étant fourni à la troisième étape de compression,
- le premier composé réfrigérant et le troisième composé refroidi 315d en sortie de la troisième étape 355 d’échange thermique et
- le troisième composé réfrigérant détendu et le troisième composé refroidi 315e en sortie de la troisième étape d’échange thermique.
Dans des modes de réalisation préférentiels, tels que celui représenté en figure 3, la deuxième étape 335 d’échange de chaleur est configurée pour réaliser, de plus, un échange de chaleur entre :
- le gaz et le troisième composé réfrigérant détendu 335c pour refroidir le gaz, le troisième composé réfrigérant chauffé étant fourni à la première étape d’échange de chaleur,
- le deuxième composé réfrigérant et le troisième composé refroidi 335d en sortie de la première étape 315 d’échange de chaleur, le troisième composé refroidi dans la deuxième étape d’échange de chaleur étant fourni à l’étape 360 de détente du troisième composé et
- le troisième composé réfrigérant détendu et le troisième composé refroidi
335e en sortie de la première étape d’échange de chaleur.
Dans des modes de réalisation préférentiels, tels que celui représenté en figure 3, le procédé 300 comporte une quatrième étape 365 d’échange de chaleur étant configurée pour réaliser un échange de chaleur entre :
- le gaz et le troisième composé réfrigérant détendu 365a pour refroidir le gaz, le troisième composé réfrigérant chauffé étant fourni au deuxième corps d’échange et
- le troisième composé réfrigérant détendu et le troisième composé refroidi 365b en sortie du deuxième corps d’échange, le troisième composé refroidi dans le deuxième corps d’échange étant fourni au moyen de détente du troisième composé.
Ce procédé 300 est réalisé, par exemple, par la mise en œuvre du dispositif 100 tel que décrit en regard de la figure 1.

Claims (12)

1. Dispositif (100) de liquéfaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz, caractérisé en ce qu’il comporte :
- un premier compresseur (105) d’un premier composé réfrigérant vaporisé,
- un premier échangeur (110) thermique de refroidissement du premier composé réfrigérant comprimé,
- un premier corps (115) d’échange de chaleur entre :
- le gaz et le premier composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le premier composé réfrigérant vaporisé au cours de cet échange de chaleur étant fourni au premier compresseur,
- le premier composé réfrigérant détendu et le premier composé refroidi, le premier composé refroidi liquéfié étant fourni à un moyen (120) de détente du premier composé,
- un moyen (120) de détente du premier composé réfrigérant refroidi dans le premier corps d’échange,
- un deuxième compresseur (125) d’un deuxième composé réfrigérant vaporisé,
- un deuxième échangeur (130) thermique de refroidissement du deuxième composé réfrigérant comprimé,
- un deuxième corps (135) d’échange de chaleur entre :
- le gaz et le deuxième composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le deuxième composé réfrigérant vaporisé étant fourni au deuxième compresseur,
- le deuxième composé réfrigérant détendu et le deuxième composé refroidi, le deuxième composé refroidi étant fourni à un moyen (140) de détente du deuxième composé,
- un moyen (140) de détente du deuxième composé réfrigérant refroidi dans le deuxième corps d’échange et
- un troisième corps (145) d’échange de chaleur entre le premier composé réfrigérant détendu et le deuxième composé refroidi en sortie du deuxième échangeur thermique, le deuxième composé refroidi dans le troisième corps étant fourni au premier corps d’échange de chaleur.
2. Dispositif (100) selon la revendication 1, qui comporte :
- un troisième compresseur (150) d’un troisième composé réfrigérant gazeux,
- un troisième échangeur (155) thermique de refroidissement du troisième composé réfrigérant comprimé et
- en aval du premier corps (115) d’échange, un moyen (160) de détente du troisième composé réfrigérant, le troisième composé réfrigérant détendu étant fourni au premier corps d’échange.
le premier corps d’échange de chaleur étant configuré pour réaliser, de plus, un échange de chaleur entre :
- le gaz et le troisième composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le troisième composé réfrigérant chauffé étant fourni au troisième compresseur,
- le premier composé réfrigérant et le troisième composé refroidi en sortie du troisième échangeur thermique et
- le troisième composé réfrigérant détendu et le troisième composé refroidi en sortie du troisième échangeur thermique.
3. Dispositif (100) selon la revendication 2, dans lequel le deuxième corps (135) d’échange de chaleur est configuré pour réaliser, de plus, un échange de chaleur entre :
- le gaz et le troisième composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le troisième composé réfrigérant chauffé étant fourni au premier corps (115) d’échange,
- le deuxième composé réfrigérant et le troisième composé refroidi en sortie du premier corps d’échange, le troisième composé refroidi dans le deuxième corps d’échange étant fourni au moyen (160) de détente du troisième composé et
- le troisième composé réfrigérant détendu et le troisième composé refroidi en sortie du premier corps d’échange.
4. Dispositif (100) selon la revendication 3, qui comporte un quatrième corps (165) d’échange de chaleur est configuré pour réaliser un échange de chaleur entre :
- le gaz et le troisième composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le troisième composé réfrigérant chauffé étant fourni au deuxième corps (135) d’échange et
- le troisième composé réfrigérant détendu et le troisième composé refroidi en sortie du deuxième corps d’échange, le troisième composé refroidi dans le deuxième corps d’échange étant fourni au moyen (160) de détente du troisième composé.
5. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel au moins l’un des composés réfrigérant est un corps pur.
6. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le premier composé est de l’ammoniac ou du propane.
7. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel le deuxième composé est du dioxyde de carbone.
8. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le troisième composé est de l’azote.
9. Procédé (300) de liquéfaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz, caractérisé en ce qu’il comporte :
- une première étape (305) de compression d’un premier composé réfrigérant vaporisé,
- une première étape (310) d’échange thermique de refroidissement du premier composé réfrigérant comprimé,
- une première étape (315) d’échange de chaleur entre :
- le gaz et le premier composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz (315a), le premier composé réfrigérant vaporisé au cours de cet échange de chaleur étant fourni à la première étape de compression,
- le premier composé réfrigérant détendu et le premier composé refroidi (315b), le premier composé refroidi liquéfié étant fourni à une étape de détente du premier composé,
- une étape (320) de détente du premier composé réfrigérant refroidi dans la première étape d’échange de chaleur,
- une deuxième étape (325) de compression d’un deuxième composé réfrigérant vaporisé,
- une deuxième étape (330) d’échange thermique de refroidissement du deuxième composé réfrigérant comprimé,
- une deuxième étape (335) d’échange de chaleur entre :
- le gaz et le deuxième composé réfrigérant détendu (335a) pour refroidir le gaz, le deuxième composé réfrigérant vaporisé étant fourni la deuxième étape de compression,
- le deuxième composé réfrigérant détendu et le deuxième composé refroidi (335b), le deuxième composé refroidi étant fourni à une étape de détente du deuxième composé,
- une étape (340) de détente du deuxième composé réfrigérant refroidi dans la deuxième étape d’échange de chaleur et
- une troisième étape (345) d’échange de chaleur entre le premier composé réfrigérant détendu et le deuxième composé refroidi en sortie de la deuxième étape d’échange thermique, le deuxième composé refroidi dans la troisième étape d’échange de chaleur étant fourni à la première étape d’échange de chaleur.
10. Procédé (300) selon la revendication 9, qui comporte :
- une troisième étape (350) de compression d’un troisième composé réfrigérant gazeux,
- une troisième étape (355) d’échange thermique de refroidissement du troisième composé réfrigérant comprimé et
- en aval de la première étape (315) d’échange de chaleur, une étape (360) de détente du troisième composé réfrigérant, le troisième composé réfrigérant détendu étant fourni à la première étape d’échange de chaleur.
la première étape d’échange de chaleur étant configurée pour réaliser, de plus, un échange de chaleur entre :
- le gaz et le troisième composé réfrigérant détendu (315c) pour refroidir le gaz, le troisième composé réfrigérant chauffé étant fourni à la troisième étape de compression,
- le premier composé réfrigérant et le troisième composé refroidi (315d) en sortie de la troisième étape (355) d’échange thermique et
- le troisième composé réfrigérant détendu et le troisième composé refroidi (315e) en sortie de la troisième étape d’échange thermique.
11. Procédé (300) selon la revendication 10, dans lequel la deuxième étape (335) d’échange de chaleur est configurée pour réaliser, de plus, un échange de chaleur entre :
- le gaz et le troisième composé réfrigérant détendu (335c) pour refroidir le gaz, le troisième composé réfrigérant chauffé étant fourni à la première étape d’échange de chaleur,
- le deuxième composé réfrigérant et le troisième composé refroidi (335d) en sortie de la première étape (315) d’échange de chaleur, le troisième composé refroidi dans la deuxième étape d’échange de chaleur étant fourni à l’étape (360) de détente du troisième composé et
- le troisième composé réfrigérant détendu et le troisième composé refroidi (335e) en sortie de la première étape d’échange de chaleur.
12. Procédé (300) selon la revendication 11, qui comporte une quatrième étape (365) d’échange de chaleur étant configurée pour réaliser un échange de chaleur entre :
- le gaz et le troisième composé réfrigérant détendu (365a) pour refroidir le gaz, le troisième composé réfrigérant chauffé étant fourni au deuxième corps d’échange et
- le troisième composé réfrigérant détendu et le troisième composé refroidi (365b) en sortie du deuxième corps d’échange, le troisième composé refroidi dans le deuxième corps d’échange étant fourni au moyen de détente du troisième composé.
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