FR3068771A1 - Dispositif et procede de liquefaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz - Google Patents

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Abstract

Le procédé (300) de liquéfaction d'un gaz naturel ou d'un biogaz, comporte : - une première étape (305) de compression d'un mélange réfrigérant vaporisé, - une première étape (310) d'échange thermique de refroidissement du mélange réfrigérant comprimé, - une étape (315) de détente du mélange réfrigérant refroidi, - une deuxième étape (320) de compression de dioxyde de carbone vaporisé, - une deuxième étape (325) d'échange thermique de refroidissement du dioxyde de carbone comprimé, - une première étape (330) d'échange de chaleur entre : - le gaz et le mélange réfrigérant détendu (330a) pour refroidir le gaz, le mélange réfrigérant vaporisé étant fourni à la première étape de compression, - le mélange réfrigérant détendu et le dioxyde de carbone refroidi (330b) pour refroidir le dioxyde de carbone, le dioxyde de carbone refroidi étant fourni à une étape de détente du dioxyde de carbone, - le gaz et le dioxyde de carbone détendu (330c) pour refroidir le gaz, le dioxyde de carbone vaporisé étant fourni à la deuxième étape de compression et - l'étape (335) de détente du dioxyde de carbone refroidi dans la première étape d'échange de chaleur, le dioxyde de carbone détendu étant fourni à la première étape 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
La liquéfaction du gaz permet le transport de gaz naturel à volume moindre par rapport au transport du gaz naturel non liquéfié.
Lors des dernières décennies, les technologies de liquéfaction ont visé les grandes capacités de gaz pour des raisons d’économie d’échelle.
La mise en œuvre des technologies ainsi utilisées requiert de très grands investissements et présente des coûts de transports très importants (infrastructures de liquéfaction marines et de réception). Ainsi, d’une part, la tendance des capacités de liquéfaction a été d’accroître le volume de gaz naturel transporté afin d’obtenir des économies d’échelle et afin de rendre l’économie de ces projets plus attractive. D’autre part, les investissements réalisés pour mettre en œuvre ces technologies ont visé ce dimensionnement et la construction de procédés de liquéfaction devant être les plus efficaces possibles afin de minimiser les coûts d’opération par la suite.
Aujourd’hui, le nombre de projets à grande échelle a fortement diminué et on observe un regain d’intérêt pour la production à petite capacité de gaz naturel liquéfié à partir de gaz naturel ou de biogaz.
En effet, la valorisation des petites sources de gaz, les gaz fatals et le biogaz sont de nouvelles opportunités promues notamment par une prise de conscience environnementale des populations et gouvernements ou une volonté d’atteindre un consommateur isolé dans des zones sans infrastructure gazière de transport et/ou distribution. Ces opportunités sont néanmoins trop petites pour justifier l’emploi des technologies destinées à la production à grandes échelle (la transposition des technologies traditionnelles n’est pas pertinente, car trop complexe et ne permettent pas de justifier de la viabilité économique de ces nouveaux projets), d’où la nécessité de proposer de nouvelles technologies qui puissent répondre aux trois principaux enjeux concernant la liquéfaction à petite échelle :
- la réduction des coûts d’investissements autant que possibles en gardant une efficacité aussi élevée que possible afin de minimiser les coûts opérationnels,
- l’augmentation de l’efficacité du procédé pour minimiser la perte de produit : les volumes de gaz à valoriser sont faibles, ce qui rend chaque molécule importante et
- la réduction des risques sanitaires, environnementaux et sécuritaires en raison de la proximité de ces technologies plus proches d’aires urbaines et la réduction de l’empreinte environnementale de ces technologies.
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 à des applications très ponctuelles nécessitant très peu de performance et beaucoup de simplicité.
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 moyenne à 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.
Préférentiellement, ce refroidissement inclut un pré-refroidissement par échange thermique entre le gaz naturel ou le biogaz et un composé réfrigérant pur refroidi.
A minima, ce refroidissement inclut un échange thermique entre le gaz naturel ou le biogaz, un mélange réfrigérant et du dioxyde de carbone refroidi. Ce refroidissement est préférentiellement réalisé après l’étape de pré-refroidissement.
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 le mélange réfrigérant refroidi. Le mélange refroidi réchauffé au cours de l’étape additionnelle de refroidissement est fourni à l’étape de refroidissement.
Chaque composé ou mélange réfrigérant et le dioxyde de carbone est refroidi soit en aval de l’étape de pré-refroidissement soit en aval de 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 mélange réfrigérant vaporisé,
- un premier échangeur thermique de refroidissement du mélange réfrigérant comprimé,
- un moyen de détente du mélange réfrigérant refroidi,
- un deuxième compresseur de dioxyde de carbone vaporisé,
- un deuxième échangeur thermique de refroidissement du dioxyde de carbone comprimé,
- un premier corps d’échange de chaleur entre :
- le gaz et le mélange réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le mélange réfrigérant vaporisé étant fourni au premier compresseur,
- le mélange réfrigérant détendu et le dioxyde de carbone refroidi pour refroidir le dioxyde de carbone, le dioxyde de carbone refroidi étant fourni à un moyen de détente du dioxyde de carbone,
- le gaz et le dioxyde de carbone détendu pour refroidir le gaz, le dioxyde de carbone vaporisé étant fourni au deuxième compresseur et
- le moyen de détente du dioxyde de carbone refroidi dans le premier corps d’échange, le dioxyde de carbone détendu étant fourni au premier corps d’échange.
Grâce à ces dispositions, le dispositif objet de la présente invention :
- ne nécessite pas la présence d’hydrocarbures lourds dans les mélanges réfrigérants, pouvant engendrer des problèmes/risques de cristallisation dans le premier corps d’échange de chaleur,
- met en œuvre un nombre réduit de composés chimiques différents en tant que réfrigérant et
- minimise les débits de circulation des réfrigérants.
De plus, l’utilisation du dioxyde de carbone comme réfrigérant permet :
- de réduire le débit du cycle réfrigérant et donc la taille du compresseur nécessaire en comparaison d’un procédé n’utilisant pas de dioxyde de carbone en tant que réfrigérant (par exemple de l’azote gazeux) et
- de réduire le nombre de composé chimiques utilisés dans le mélange réfrigérant en supprimant l’utilisation des composés de type propane et hydrocarbures plus lourds potentiellement cristallisables pour la liquéfaction du gaz.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte :
- un troisième compresseur d’un composé réfrigérant pur vaporisé,
- un troisième échangeur thermique de refroidissement du composé réfrigérant comprimé,
- un deuxième corps d’échange de chaleur entre :
- le composé réfrigérant détendu et le composé réfrigérant refroidi pour refroidir le composé réfrigérant, le composé réfrigérant refroidi étant fourni à un moyen de détente du composé réfrigérant,
- le gaz et le composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le composé réfrigérant vaporisé étant fourni au troisième compresseur et le gaz étant fourni au premier corps d’échange de chaleur et
- le moyen de détente du composé réfrigérant refroidi dans le deuxième corps d’échange, le composé réfrigérant détendu étant fourni au deuxième corps d’échange.
Ces modes de réalisation permettent de pré-refroidir le gaz avant que ce gaz traverse le premier corps d’échange de chaleur.
Dans des modes de réalisation, le composé réfrigérant pur est de l’ammoniac ou du propane.
Ces modes de réalisation permettent de minimiser l’utilisation des composés explosifs.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte, en aval du premier corps d’échange sur le chemin parcouru par le gaz, un troisième corps d’échange de chaleur entre le gaz et le mélange réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le mélange réfrigérant en sortie étant fourni au premier corps d’échange.
Ces modes de réalisation permettent de refroidir davantage le gaz après que ce gaz traverse le premier corps d’échange de chaleur.
Dans des modes de réalisation, le mélange réfrigérant comporte de l’azote et/ou du méthane.
Ces modes de réalisation permettent de limiter l’utilisation de composés explosifs.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte un moyen de collecte de gaz d’évaporation dans un réservoir de gaz liquéfié, le gaz d’évaporation collecté étant utilisé dans le mélange réfrigérant.
Ces modes de réalisation permettent d’exploiter le gaz d’évaporation en tant que réfrigérant (sans besoin de fractionnement ou séparation), ce gaz d’évaporation étant habituellement utilisé pour générer l’énergie nécessaire pour entraîner les compresseurs.
Dans des modes de réalisation, au moins un fluide chaud et au moins un fluide froid dans un corps d’échange circulent à contre-courant l’un de l’autre.
Ces modes de réalisation permettent de maximiser le transfert de chaleur entre le fluide chaud et le fluide froid.
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 mélange réfrigérant vaporisé,
- une première étape d’échange thermique de refroidissement du mélange réfrigérant comprimé,
- une étape de détente du mélange réfrigérant refroidi,
- une deuxième étape de compression de dioxyde de carbone vaporisé,
- une deuxième étape d’échange thermique de refroidissement du dioxyde de carbone comprimé,
- une première étape d’échange de chaleur entre :
- le gaz et le mélange réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le mélange réfrigérant vaporisé étant fourni à la première étape de compression,
- le mélange réfrigérant détendu et le dioxyde de carbone refroidi pour refroidir le dioxyde de carbone, le dioxyde de carbone refroidi étant fourni à une étape de détente du dioxyde de carbone,
- le gaz et le dioxyde de carbone détendu pour refroidir le gaz, le dioxyde de carbone vaporisé étant fourni à la deuxième étape de compression et
- l’étape de détente du dioxyde de carbone refroidi dans la première étape d’échange de chaleur, le dioxyde de carbone détendu 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 composé réfrigérant pur vaporisé,
- une troisième étape d’échange thermique de refroidissement du composé réfrigérant comprimé,
- une deuxième étape d’échange de chaleur entre :
- le composé réfrigérant détendu et le composé réfrigérant, refroidi pour refroidir le composé réfrigérant, le composé réfrigérant refroidi au cours de cette étape étant fourni à une étape de détente du composé réfrigérant,
- le gaz et le composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le composé réfrigérant vaporisé étant fourni à la troisième étape de compression et le gaz étant fourni à la première étape d’échange de chaleur et
- l’étape de détente du composé réfrigérant refroidi dans la deuxième étape d’échange de chaleur, le composé réfrigérant détendu étant fourni à la deuxième étape d’échange de chaleur.
Dans des modes de réalisation, le procédé objet de la présente invention comporte, en aval de la première étape d’échange de chaleur sur le chemin parcouru par le gaz, une troisième étape d’échange de chaleur entre le gaz et le mélange réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le mélange réfrigérant en sortie étant fourni à 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.
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.
Préférentiellement, ce refroidissement par étapes inclut un pré-refroidissement par échange thermique entre le gaz naturel ou le biogaz et un composé réfrigérant pur refroidi. Cet étage de pré-refroidissement correspond au deuxième corps d’échange de chaleur 150 tel que décrit en regard de la figure 1 et à la deuxième étape d’échange de chaleur 350 telle que décrite en regard de la figure 3. Ce prérefroidissement peut être réalisé de manière externe au procédé ou au dispositif objet de la présente invention, le gaz pré-refroidit étant alors fourni à la première étape d’échange de chaleur 330 ou au premier corps d’échange de chaleur 130.
Ce refroidissement par étapes inclut, en guise de refroidissement principal, une étape d’échange de chaleur entre le gaz naturel ou le biogaz, un mélange réfrigérant et du dioxyde de carbone refroidi. Ce refroidissement est préférentiellement réalisé après l’étape de pré-refroidissement mentionnée cidessus. II 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.
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 composé réfrigérant pur si le procédé inclut une étape de prérefroidissement,
- le gaz, un mélange réfrigérant et du dioxyde de carbone et
- le gaz et le mélange réfrigérant si le procédé inclut une étape de liquéfaction.
La présente description divulgue l’objet de la présente invention, en regard des figures 1 et 3, en présentant dans un premier temps l’étage de refroidissement principal, puis l’étape de pré-refroidissement et enfin l’étape de liquéfaction, ces deux dernières étapes étant optionnelles.
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. Ce dispositif 100 de liquéfaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz, comporte :
- un premier compresseur 105 d’un mélange réfrigérant vaporisé,
- un premier échangeur 110 thermique de refroidissement du mélange réfrigérant comprimé,
- un moyen 115 de détente du mélange réfrigérant refroidi,
- un deuxième compresseur 120 de dioxyde de carbone vaporisé,
- un deuxième 125 échangeur thermique de refroidissement du dioxyde de carbone comprimé,
- un premier corps 130 d’échange de chaleur entre :
- le gaz et le mélange réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le mélange réfrigérant vaporisé étant fourni au premier compresseur,
- le mélange réfrigérant détendu et le dioxyde de carbone refroidi pour refroidir le dioxyde de carbone, le dioxyde de carbone refroidi étant fourni à un moyen 135 de détente du dioxyde de carbone,
- le gaz et le dioxyde de carbone détendu pour refroidir le gaz, le dioxyde de carbone vaporisé étant fourni au deuxième compresseur et
- le moyen 135 de détente du dioxyde de carbone refroidi dans le premier corps d’échange, le dioxyde de carbone détendu étant fourni au premier corps d’échange.
Le mélange réfrigérant comporte, par exemple, de l’azote, du méthane, de l’éthane, de l’éthylène, du propane, un iso-butane, un iso-pentane, un normal butane et/ou npentane.
Le premier compresseur 105 est, par exemple, un compresseur centrifuge ou alternatif. Ce compresseur 105 permet, par exemple, d’élever la pression du mélange réfrigérant à une pression préférentiellement comprise entre 30 et 80 bar, et de 40 bar environ par exemple.
Préférentiellement, ce premier compresseur 105 comprime le mélange réfrigérant en deux étapes de compression successives. Dans des variantes, le mélange réfrigérant 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 mélange réfrigérant ne dépasse pas la température de 200°C.
Le premier échangeur 110 thermique est, par exemple, un échangeur tubulaire utilisant en tant que fluide froid de l’air ou de l’eau. Ce premier échangeur 110 thermique vise à refroidir le mélange réfrigérant comprimé à une température comprise, préférentiellement, entre 10 et 25°C.
Le moyen 115 de détente est, par exemple, une vanne Joule-Thomson réalisant une détente isenthalpique du mélange réfrigérant. Le mélange réfrigérant refroidi est détendu à une pression comprise entre 2 barg et 4 barg de préférence, par exemple, de 4 bar. Dans des variantes, le moyen de détente 115 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 mélange réfrigérant ainsi détendu est fourni au premier corps 130 d’échange de chaleur pour refroidir le gaz traversant ce premier corps 130 d’échange et du dioxyde de carbone traversant également ce premier corps 130 d’échange.
Le deuxième compresseur 120 est, par exemple, un compresseur à pistons sec, un compresseur centrifuge ou un compresseur alternatif. Ce deuxième compresseur 120 permet d’élever la pression du dioxyde de carbone. La pression de sortie du dioxyde de carbone est fixée en fonction de la pression saturante du dioxyde de carbone et des pertes de charges du circuit de dioxyde de carbone afin de permettre au dioxyde de carbone liquide de s’évaporer à une température comprise entre -35°C et -45°C. La température d’évaporation est choisie en fonction de la température d’approche de l’échangeur de chaleur, donnée communiquée par le constructeur.
Lors de cette compression, le dioxyde de carbone subit un réchauffement important. Ce flux de dioxyde de carbone est dirigé vers le deuxième échangeur 125 thermique pour y être refroidit. Ce deuxième échangeur 125 thermique est, par exemple, un échangeur tubulaire utilisant en tant que fluide froid de l’air ou de l’eau. En sortie de ce deuxième échangeur 125, le dioxyde de carbone est refroidi à une température comprise préférentiellement entre 7°C et 30°C, par exemple 15°C.
Le dioxyde de carbone sortant de ce deuxième échangeur 125 est ensuite dirigé vers le premier corps 130 d’échange.
Ce premier corps 130 d’échange présente deux extrémités :
- l’une, dite « chaude », correspond à la partie du premier corps 130 à proximité de l’entrée de gaz dans ce premier corps 130 d’échange et
- l’autre, dite « froide », correspond à la partie du premier corps 130 à proximité de la sortie de gaz refroidi de ce premier corps 130 d’échange.
Préférentiellement, le dioxyde de carbone refroidi sortant du deuxième échangeur 125 est injecté dans le premier corps 130 d’échange au niveau de l’extrémité chaude du premier corps 130 d’échange. Le dioxyde de carbone est liquéfié et sous-refroidi au cours de l’échange de chaleur, avec le dioxyde de carbone détendu et/ou le mélange réfrigérant, réalisé dans le premier corps 130 d’échange.
Préférentiellement, l’entrée pour mélange réfrigérant dans ce premier corps 130 d’échange est positionnée dans l’extrémité froide et la sortie pour ce mélange réfrigérant est positionnée dans l’extrémité chaude.
Le mélange réfrigérant traversant le premier corps 130 d’échange participe au refroidissement du gaz et du dioxyde de carbone refroidi par le deuxième échangeur 125 thermique.
Le mélange réfrigérant vaporisé au cours de l’échange thermique réalisé dans le premier corps 130 d’échange est fourni au premier compresseur 105 de manière à former un cycle.
Le dioxyde de carbone sous refroidi et liquéfié est détendu dans le moyen 135 de détente du dioxyde de carbone. Le moyen 135 de détente est, par exemple, une vanne Joule-Thomson réalisant une détente isenthalpique du dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone refroidi est détendu à une pression, par exemple, de 8 bar. Dans des variantes, le moyen de détente 135 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 dioxyde de carbone détendu est ensuite fourni au premier corps 130 d’échange de manière à participer au refroidissement du gaz et du dioxyde de carbone refroidi par le deuxième échangeur 125 thermique.
Le dioxyde de carbone vaporisé au cours de l’échange thermique réalisé dans le premier corps 130 d’échange est fourni au deuxième compresseur 120 de manière à former un cycle. Le premier corps 130 d’échange est de type PFHE (pour « Platefin heat exchanger », traduit par échangeur de chaleur à plaques) ou BAHX (pour « Brazed aluminium heat exchanger », traduit par échangeur de chaleur en aluminium brasé) par exemple.
Ainsi, plusieurs échanges de chaleur ont lieu au sein du premier corps 130 d’échange :
- un premier échange entre le gaz et le mélange réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le mélange réfrigérant vaporisé étant fourni au premier compresseur 105,
- un deuxième échange entre le mélange réfrigérant détendu et le dioxyde de carbone refroidi pour refroidir le dioxyde de carbone, le dioxyde de carbone refroidi étant fourni à un moyen 135 de détente du dioxyde de carbone et
- un troisième échange entre le gaz et le dioxyde de carbone détendu pour refroidir le gaz, le dioxyde de carbone vaporisé étant fourni au deuxième compresseur 120.
Le premier corps 130 d’échange est configuré pour qu’en sortie, le gaz présente une température comprise entre -30°C et -40°C. En entrée, le gaz présente une température comprise entre 0 et -10°C avec préférentiellement une température comprise entre -8°C et -10°C.
Dans des modes de réalisation préférentiels, tel que celui représenté en figure 1, le dispositif 100 comporte :
- un troisième compresseur 140 d’un composé réfrigérant pur vaporisé,
- un troisième échangeur 145 thermique de refroidissement du composé réfrigérant comprimé,
- un deuxième corps 150 d’échange de chaleur entre :
- le composé réfrigérant détendu et le composé réfrigérant refroidi pour refroidir le composé réfrigérant, le composé réfrigérant refroidi étant fourni à un moyen 155 de détente du composé réfrigérant,
- le gaz et le composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le composé réfrigérant vaporisé étant fourni au troisième compresseur et le gaz refroidi étant fourni au premier corps 130 d’échange de chaleur et
- le moyen 155 de détente du composé réfrigérant refroidi dans le deuxième corps d’échange, le composé réfrigérant détendu étant fourni au deuxième corps d’échange.
Le composé réfrigérant pur est, par exemple, de l’ammoniac ou du propane.
Le troisième compresseur 140 est, par exemple, un compresseur centrifuge ou alternatif. Ce compresseur 140 permet, par exemple, d’élever la pression du composé réfrigérant à une pression supérieure à 20 bar, par exemple environ 35 bar.
Le troisième échangeur 145 thermique est, par exemple, un échangeur tubulaire utilisant en tant que fluide froid de l’air ou de l’eau, ou eau glycolée par exemple. Ce troisième échangeur 145 thermique vise à refroidir le mélange réfrigérant comprimé à une température comprise, par exemple, entre 5 et 20°C, par exemple 15°C.
Le composé réfrigérant sortant de ce troisième échangeur 145 est ensuite dirigé vers le deuxième corps 150 d’échange.
Ce premier corps 150 d’échange présente deux extrémités :
- l’une, dite «chaude», correspond à la partie du deuxième corps 150 à proximité de l’entrée de gaz dans ce deuxième corps 150 d’échange et
- l’autre, dite «froide», correspond à la partie du deuxième corps 150 à proximité de la sortie de gaz refroidi de ce deuxième corps 150 d’échange.
Préférentiellement, le composé réfrigérant refroidi sortant du troisième échangeur 145 est injecté dans le deuxième corps 150 d’échange au niveau de l’extrémité chaude du deuxième corps 150 d’échange. Le composé réfrigérant est liquéfié et sous-refroidi au cours de l’échange de chaleur, avec le composé réfrigérant détendu, réalisé dans le deuxième corps 150 d’échange.
Préférentiellement, l’entrée pour composé réfrigérant dans ce deuxième corps 150 d’échange est positionnée dans l’extrémité froide et la sortie pour ce composé réfrigérant est positionnée dans l’extrémité chaude.
Le mélange réfrigérant détendu traversant le deuxième corps 150 d’échange participe au refroidissement du gaz et du composé réfrigérant refroidi par le troisième échangeur 145 thermique.
Le composé réfrigérant vaporisé au cours de l’échange thermique réalisé dans le deuxième corps 150 d’échange est fourni au troisième compresseur 140 de manière à former un cycle.
Le composé réfrigérant sous refroidi et liquéfié est détendu dans le moyen 155 de détente du composé réfrigérant. Le moyen 155 de détente est, par exemple, une vanne Joule-Thomson réalisant une détente isenthalpique du composé réfrigérant. Dans des variantes, le moyen de détente 155 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 composé réfrigérant refroidi est détendu à une pression, préférentiellement comprise entre 2,5 et 4 bar, et préférentiellement d’environ 3,5 bar. Il est également possible que le composé réfrigérant soit détendu à une pression inférieure à 2,5 bar, mais il y a alors des risques que la pression d’aspiration du compresseur 140 ne soit plus suffisante.
Le composé détendu est ensuite fourni au deuxième corps 150 d’échange de manière à participer au refroidissement du gaz et du composé refroidi par le troisième échangeur 145 thermique. Le deuxième corps 150 d’échange est de type PFHE ou BAHX par exemple.
Le deuxième corps 150 d’échange est configuré pour qu’en sortie, le gaz présente une température inférieure comprise entre 0°C et -10°C par exemple.
Dans des modes de réalisation préférentiels, tel que celui représenté en figure 1, le dispositif 100 comporte, en aval du premier corps d’échange sur le chemin parcouru par le gaz, un troisième 160 corps d’échange de chaleur entre le gaz et le mélange réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le mélange réfrigérant en sortie étant fourni au premier corps 130 d’échange. Le troisième corps 160 d’échange est de type PFHE ou BAHX par exemple.
Le troisième corps 160 d’échange est configuré pour qu’en sortie, le gaz présente une température inférieure à -155°C préférentiellement.
Dans des modes de réalisation préférentiels, tel que celui représenté en figure 1, le dispositif 100 comporte un moyen 165 de collecte de gaz d’évaporation dans un réservoir 170 de gaz liquéfié, le gaz d’évaporation collecté étant utilisé dans le mélange réfrigérant.
Le moyen 165 de collecte est, par exemple, une aspiration de gaz d’évaporation située dans une partie supérieure du réservoir 170. Par exemple, un compresseur alternatif est utilisé pour transférer le BOG du stockage au lieu d’injection. Le mélange réfrigérant utilisé dans le présent dispositif est alors configuré pour présenter préférentiellement une composition proche d’une composition typique d’un BOG de gaz naturel liquéfié. La régulation de la température du GNL produit est préférentiellement régulée en agissant sur le débit de mélange réfrigérant dans un premier temps, et dans un second temps sur le débit de gaz naturel à liquéfier. De même, dans l’étage de pré-refroidissement, le débit de composé réfrigérant pur peut être régulé de manière à refroidir à une température déterminée le gaz entrant dans ledit étage de pré-refroidissement.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 1, au moins un fluide chaud et au moins un fluide froid dans un corps, 130, 150 et/ou 160, d’échange circulent à contre-courant l’un de l’autre.
On observe, sur la figure 2, schématiquement, une embarcation comportant un dispositif 100 tel que décrit en regard de la figure 1.
On observe, sur la figure 3, schématiquement, 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 mélange réfrigérant vaporisé,
- une première étape 310 d’échange thermique de refroidissement du mélange réfrigérant comprimé,
- une étape 315 de détente du mélange réfrigérant refroidi,
- une deuxième étape 320 de compression de dioxyde de carbone vaporisé,
- une deuxième étape 325 d’échange thermique de refroidissement du dioxyde de carbone comprimé,
- une première étape 330 d’échange de chaleur entre :
- le gaz et le mélange réfrigérant détendu 330a pour refroidir le gaz, le mélange réfrigérant vaporisé étant fourni à la première étape de compression,
- le mélange réfrigérant détendu et le dioxyde de carbone refroidi 330b pour refroidir le dioxyde de carbone, le dioxyde de carbone refroidi étant fourni à une étape de détente du dioxyde de carbone,
- le gaz et le dioxyde de carbone détendu 330c pour refroidir le gaz, le dioxyde de carbone vaporisé étant fourni à la deuxième étape de compression et
- l’étape 335 de détente du dioxyde de carbone refroidi dans la première étape d’échange de chaleur, le dioxyde de carbone détendu étant fourni à la première étape d’échange de chaleur.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 3, le procédé 300 comporte :
- une troisième étape 340 de compression d’un composé réfrigérant pur vaporisé,
- une troisième étape 345 d’échange thermique de refroidissement du composé réfrigérant comprimé,
- une deuxième étape 350 d’échange de chaleur entre :
- le composé réfrigérant détendu et le composé réfrigérant 350a, refroidi pour refroidir le composé réfrigérant, le composé réfrigérant refroidi au cours de cette étape étant fourni à une étape de détente du composé réfrigérant,
- le gaz et le composé réfrigérant détendu 350b pour refroidir le gaz, composé réfrigérant étant fourni à la troisième étape de compression et le gaz refroidi étant fourni à la première étape d’échange de chaleur et
- l’étape 355 de détente du composé réfrigérant refroidi dans la deuxième étape d’échange de chaleur, le composé réfrigérant détendu étant fourni à la deuxième étape d’échange de chaleur.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 3, le procédé 300 comporte, en aval de la première étape 330 d’échange de chaleur sur le chemin parcouru par le gaz, une troisième étape 360 d’échange de chaleur entre le gaz et le mélange réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le gaz refroidi en sortie étant fourni à la première étape d’échange de chaleur.
Le procédé 300 est mis en œuvre, par exemple, par le dispositif 100 tel que décrit en regard de la figure 1.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    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 mélange réfrigérant vaporisé,
    - un premier échangeur (110) thermique de refroidissement du mélange réfrigérant comprimé,
    - un moyen (115) de détente du mélange réfrigérant refroidi,
    - un deuxième compresseur (120) de dioxyde de carbone vaporisé,
    - un deuxième (125) échangeur thermique de refroidissement du dioxyde de carbone comprimé,
    - un premier corps (130) d’échange de chaleur entre :
    - le gaz et le mélange réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le mélange réfrigérant vaporisé étant fourni au premier compresseur,
    - le mélange réfrigérant détendu et le dioxyde de carbone refroidi pour refroidir le dioxyde de carbone, le dioxyde de carbone refroidi étant fourni à un moyen (135) de détente du dioxyde de carbone,
    - le gaz et le dioxyde de carbone détendu pour refroidir le gaz, le dioxyde de carbone vaporisé étant fourni au deuxième compresseur et
    - le moyen (135) de détente du dioxyde de carbone refroidi dans le premier corps d’échange, le dioxyde de carbone détendu étant fourni au premier corps d’échange.
  2. 2. Dispositif (100) selon la revendication 1, qui comporte :
    - un troisième compresseur (140) d’un composé réfrigérant pur vaporisé,
    - un troisième échangeur (145) thermique de refroidissement du composé réfrigérant comprimé,
    - un deuxième corps (150) d’échange de chaleur entre :
    - le composé réfrigérant détendu et le composé réfrigérant refroidi pour refroidir le composé réfrigérant, le composé réfrigérant refroidi étant fourni à un moyen (155) de détente du composé réfrigérant,
    - le gaz et le composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le composé réfrigérant vaporisé étant fourni au troisième compresseur et le gaz refroidi étant fourni au premier corps (130) d’échange de chaleur et
    - le moyen (155) de détente du composé réfrigérant refroidi dans le deuxième corps d’échange, le composé réfrigérant détendu étant fourni au deuxième corps d’échange.
  3. 3. Dispositif (100) selon la revendication 2, dans lequel le composé réfrigérant pur est de l’ammoniac ou du propane.
  4. 4. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 3, qui comporte, en aval du premier corps d’échange sur le chemin parcouru par le gaz, un troisième (160) corps d’échange de chaleur entre le gaz et le mélange réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le mélange réfrigérant en sortie étant fourni au premier corps (130) d’échange.
  5. 5. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le mélange réfrigérant comporte de l’azote et/ou du méthane.
  6. 6. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 5, qui comporte un moyen (165) de collecte de gaz d’évaporation dans un réservoir (170) de gaz liquéfié, le gaz d’évaporation collecté étant utilisé dans le mélange réfrigérant.
  7. 7. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel au moins un fluide chaud et au moins un fluide froid dans un corps d’échange circulent à contrecourant l’un de l’autre.
  8. 8. 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 mélange réfrigérant vaporisé,
    - une première étape (310) d’échange thermique de refroidissement du mélange réfrigérant comprimé,
    - une étape (315) de détente du mélange réfrigérant refroidi,
    - une deuxième étape (320) de compression de dioxyde de carbone vaporisé,
    - une deuxième étape (325) d’échange thermique de refroidissement du dioxyde de carbone comprimé,
    - une première étape (330) d’échange de chaleur entre :
    - le gaz et le mélange réfrigérant détendu (330a) pour refroidir le gaz, le mélange réfrigérant vaporisé étant fourni à la première étape de compression,
    - le mélange réfrigérant détendu et le dioxyde de carbone refroidi (330b) pour refroidir le dioxyde de carbone, le dioxyde de carbone refroidi étant fourni à une étape de détente du dioxyde de carbone,
    - le gaz et le dioxyde de carbone détendu (330c) pour refroidir le gaz, le dioxyde de carbone vaporisé étant fourni à la deuxième étape de compression et
    - l’étape (335) de détente du dioxyde de carbone refroidi dans la première étape d’échange de chaleur, le dioxyde de carbone détendu étant fourni à la première étape d’échange de chaleur.
  9. 9. Procédé (300) selon la revendication 8, qui comporte :
    - une troisième étape (340) de compression d’un composé réfrigérant pur vaporisé,
    - une troisième étape (345) d’échange thermique de refroidissement du composé réfrigérant comprimé,
    - une deuxième étape (350) d’échange de chaleur entre :
    - le composé réfrigérant détendu et le composé réfrigérant (350a), refroidi pour refroidir le composé réfrigérant, le composé réfrigérant refroidi au cours de cette étape étant fourni à une étape de détente du composé réfrigérant,
    - le gaz et le composé réfrigérant détendu (350b) pour refroidir le gaz, composé réfrigérant étant fourni à la troisième étape de compression et le gaz refroidi étant fourni à la première étape d’échange de chaleur et
    - l’étape (355) de détente du composé réfrigérant refroidi dans la deuxième étape d’échange de chaleur, le composé réfrigérant détendu étant fourni à la deuxième étape d’échange de chaleur.
  10. 10. Procédé (300) selon l’une des revendications 8 ou 9, qui comporte, en aval de la première étape (330) d’échange de chaleur sur le chemin parcouru par le gaz, une troisième étape (360) d’échange de chaleur entre le gaz et le mélange réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le mélange réfrigérant en sortie étant fourni à la première étape d’échange de chaleur.
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