FR3068772A1 - DEVICE AND METHOD FOR LIQUEFACTING NATURAL GAS OR BIOGAS - Google Patents
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Abstract
Le procédé (300) de liquéfaction d'un gaz naturel ou d'un biogaz, comporte : - une première étape de compression (320) de dioxyde de carbone vaporisé, - une première étape d'échange (325) thermique pour refroidir le dioxyde de carbone comprimé, - une première étape d'échange (330) chaleur entre le gaz, le dioxyde de carbone refroidi et du dioxyde de carbone détendu au cours d'une étape (335) de détente du dioxyde de carbone refroidi, - l'étape (335) de détente du dioxyde de carbone refroidi au cours de la première étape d'échange (330) de chaleur, le dioxyde de carbone détendu étant fourni à la première étape d'échange (330) de chaleur, - une deuxième étape de compression (305) d'un fluide réfrigérant, - une deuxième étape d'échange (310) thermique de refroidissement du fluide réfrigérant comprimé, - une deuxième étape (360) d'échange de chaleur entre le gaz, le fluide réfrigérant refroidi et le fluide réfrigérant détendu au cours d'une étape (315) de détente du fluide réfrigérant refroidi, - le moyen (315) de détente du fluide réfrigérant refroidi au cours de la deuxième étape d'échange (360) de chaleur, le fluide réfrigérant détendu étant fourni à la deuxième étape d'échange de chaleur.The method (300) for liquefying a natural gas or a biogas comprises: a first compression step (320) of vaporized carbon dioxide; a first heat exchange step (325) for cooling the dioxide; of compressed carbon, - a first heat exchange step (330) between the gas, the cooled carbon dioxide and the expanded carbon dioxide during a step (335) of expansion of the cooled carbon dioxide, - step (335) of expanding the carbon dioxide cooled during the first heat exchange step (330), the expanded carbon dioxide being supplied to the first heat exchange step (330), - a second step a refrigerant (305) for compressing a refrigerant fluid, a second cooling heat exchange (310) stage for the compressed refrigerant fluid, a second heat exchange stage (360) for the gas, the cooled refrigerant fluid, and the coolant relaxed during a period pe (315) of expansion of the cooled refrigerant, - the means (315) of expansion of the coolant cooled during the second heat exchange step (360), the expanded coolant being supplied to the second step of heat exchange.
Description
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTIONTECHNICAL FIELD OF THE 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.The present invention relates to a device and a method for liquefying a natural gas or a biogas. It applies, in particular, to the field of liquefied natural gas, the liquefaction of natural gas, the transport of natural gas, biogas and the field of liquefaction of evaporative gas.
ÉTAT DE LA TECHNIQUESTATE OF THE ART
La liquéfaction du gaz permet le transport de gaz naturel à volume moindre par rapport au transport du gaz naturel non liquéfié.Gas liquefaction allows the transport of natural gas at a lower volume compared to the transport of non-liquefied natural gas.
Lors des dernières décennies, les technologies de liquéfaction ont visé les grandes capacités de gaz pour des raisons d’économie d’échelle.In recent decades, liquefaction technologies have targeted large gas capacities for reasons of economy of scale.
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.The implementation of the technologies thus used requires very large investments and presents very significant transport costs (marine liquefaction and reception infrastructures). On the one hand, the trend in liquefaction capacity has been to increase the volume of natural gas transported in order to obtain economies of scale and to make the economy of these projects more attractive. On the other hand, the investments made to implement these technologies have targeted this design and the construction of liquefaction processes which must be as efficient as possible in order to minimize operating costs thereafter.
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.Today, the number of large-scale projects has sharply decreased and there is a renewed interest in the production of small-capacity liquefied natural gas from natural gas or biogas.
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 :Indeed, the development of small sources of gas, fatal gases and biogas are new opportunities promoted in particular by an environmental awareness of populations and governments or a desire to reach an isolated consumer in areas without gas transport infrastructure and / or distribution. These opportunities are nevertheless too small to justify the use of technologies intended for large-scale production (the transposition of traditional technologies is not relevant, as it is too complex and does not justify the economic viability of these new projects) , hence the need to propose new technologies that can meet the three main challenges concerning small-scale liquefaction:
- la réduction des coûts d’investissements autant que possibles en gardant une efficacité aussi élevée que possible afin de minimiser les coûts opérationnels,- reducing investment costs as much as possible while keeping efficiency as high as possible in order to minimize operational costs,
- 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- increasing the efficiency of the process to minimize product loss: the volumes of gas to be recovered are low, which makes each molecule important and
- 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.- the reduction of health, environmental and security risks due to the proximity of these technologies closer to urban areas and the reduction of the environmental footprint of these technologies.
On connaît trois types de procédés de liquéfaction :Three types of liquefaction processes are known:
- 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,- closed cycle processes with phase change of the refrigerant, the latter being either a pure body or a refrigerant mixture in order to improve efficiency,
- les procédés à cycle fermé de Brayton ou à détente (expansion cycle) dans lequel le réfrigérant reste à l’état gazeux et- Brayton closed cycle or expansion (expansion cycle) processes in which the refrigerant remains in the gaseous state and
- 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.- open cycle processes, in which the cold is not created but supplied by an external medium, typically liquid nitrogen, and where the liquefaction of natural gas results from a simple heat exchange with the cold medium which vaporizes; this type of process is generally used in laboratories or in very specific applications requiring very little performance and a lot of simplicity.
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.Closed cycle processes with phase change have the disadvantages of requiring significant capital investments, of being complex in their implementation and of requiring bulky equipment.
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.Brayton’s processes have the disadvantages of having average to low energy performance, requiring capital investment and significant operating costs, and requiring bulky equipment.
Les procédés à cycle ouvert présentent les inconvénients de présenter une performance énergétique faible et un coût en approvisionnement énergétique élevé.Open cycle processes have the disadvantages of having a low energy performance and a high cost of energy supply.
OBJET DE L’INVENTIONOBJECT OF THE INVENTION
La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients.The present invention aims to remedy all or part of these drawbacks.
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.To remedy all or part of these drawbacks, the present invention provides a method and a device having as a general principle the cooling by successive heat exchanges between natural gas or biogas with refrigerating bodies or mixtures. In this way, the temperature of the biogas or natural gas is gradually lowered until the liquefaction of said biogas or natural gas.
Préférentiellement, ce refroidissement inclut un pré-refroidissement par échange thermique entre le gaz naturel ou le biogaz et un composé réfrigérant pur refroidi.Preferably, this cooling includes a pre-cooling by heat exchange between natural gas or biogas and a pure cooled refrigerant.
A minima, ce refroidissement inclut un échange thermique entre le gaz naturel ou le biogaz et du dioxyde de carbone refroidi. Ce refroidissement est préférentiellement réalisé après l’étape de pré-refroidissement.At a minimum, this cooling includes a heat exchange between natural gas or biogas and cooled carbon dioxide. This cooling is preferably carried out after the pre-cooling step.
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 fluide réfrigérant refroidi.The method and the device which are the subject of the present invention comprise an additional cooling step, downstream of the cooling step, between the natural gas or the biogas and a cooled refrigerant.
Ainsi, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif de liquéfaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz, qui comporte :Thus, according to a first aspect, the present invention relates to a device for liquefying a natural gas or a biogas, which comprises:
- un premier compresseur de dioxyde de carbone vaporisé,- a first vaporized carbon dioxide compressor,
- un premier échangeur thermique de refroidissement du dioxyde de carbone comprimé,- a first heat exchanger for cooling the compressed carbon dioxide,
- un premier corps d’échange de chaleur entre :- a first heat exchange body between:
- le gaz et le dioxyde de carbone refroidi, le dioxyde de carbone refroidi étant fourni à un moyen de détente du dioxyde de carbone,- the gas and the cooled carbon dioxide, the cooled carbon dioxide being supplied to a means of expansion of the carbon dioxide,
- le gaz et le dioxyde de carbone détendu, en sortie du moyen de détente du dioxyde de carbone, le dioxyde de carbone vaporisé étant fourni au premier compresseur etthe expanded gas and carbon dioxide, at the outlet of the means for expanding the carbon dioxide, the vaporized carbon dioxide being supplied to the first compressor, and
- le dioxyde de carbone détendu et le dioxyde de carbone refroidi,- expanded carbon dioxide and cooled carbon dioxide,
- 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,the means for expanding the cooled carbon dioxide in the first exchange body, the expanded carbon dioxide being supplied to the first exchange body,
- un deuxième compresseur d’un fluide réfrigérant,- a second compressor of a refrigerant,
- un deuxième échangeur thermique de refroidissement du fluide réfrigérant comprimé,- a second heat exchanger for cooling the compressed refrigerant,
- un deuxième corps d’échange de chaleur entre :- a second heat exchange body between:
- le gaz en sortie du premier corps d’échange et le fluide réfrigérant refroidi, le fluide réfrigérant refroidi étant fourni à un moyen de détente du fluide réfrigérant,- the gas leaving the first exchange body and the cooled refrigerant, the cooled refrigerant being supplied to a means of expansion of the refrigerant,
- le gaz en sortie du premier corps d’échange et le fluide réfrigérant détendu, en sortie du moyen de détente du fluide réfrigérant, le fluide réfrigérant vaporisé étant fourni au deuxième compresseur etthe gas leaving the first exchange body and the expanded coolant, at the outlet of the expansion means of the coolant, the vaporized coolant being supplied to the second compressor and
- le fluide réfrigérant détendu et le fluide réfrigérant refroidi,- the expanded refrigerant and the cooled refrigerant,
- le moyen de détente du fluide réfrigérant refroidi dans le deuxième corps d’échange, le fluide réfrigérant détendu étant fourni au deuxième corps d’échange.- The means of expansion of the cooled refrigerant in the second exchange body, the expanded refrigerant being supplied to the second exchange body.
Grâce à ces dispositions, le dispositif objet de la présente invention :Thanks to these provisions, the device which is the subject of the present 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,- does not require the presence of heavy hydrocarbons in the refrigerant mixtures, which can cause problems / risks of crystallization in the first heat exchange body,
- met en œuvre un nombre réduit de composés chimiques différents en tant que réfrigérant et- uses a reduced number of different chemical compounds as a refrigerant and
- minimise les débits de circulation des réfrigérants.- minimizes refrigerant circulation rates.
De plus, l’utilisation du dioxyde de carbone comme réfrigérant permet :In addition, the use of carbon dioxide as a refrigerant allows:
- 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- reduce the flow rate of the refrigerant cycle and therefore the size of the compressor required in comparison with a process not using carbon dioxide as a refrigerant (for example nitrogen gas) and
- 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.- to reduce the number of chemical compounds used in the refrigerant mixture by eliminating the use of propane-type compounds and heavier hydrocarbons potentially crystallizable for the liquefaction of the gas.
Dans des modes de réalisation, le fluide réfrigérant en sortie du deuxième échangeur thermique est fourni au premier corps d’échange, le fluide réfrigérant étant refroidi par échange de chaleur avec le dioxyde de carbone dans le premier corps d’échange, le fluide réfrigérant en sortie du premier corps d’échange étant fourni au deuxième corps d’échange.In embodiments, the refrigerant leaving the second heat exchanger is supplied to the first exchange body, the refrigerant being cooled by heat exchange with carbon dioxide in the first exchange body, the refrigerant being outlet of the first exchange body being supplied to the second exchange body.
Ces modes de réalisation permettent de refroidir le réfrigérant et gagner en efficacité énergétique.These embodiments make it possible to cool the refrigerant and gain energy efficiency.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte :In embodiments, the device which is the subject of the present invention comprises:
- un troisième compresseur d’un composé réfrigérant pur vaporisé,- a third compressor of a pure vaporized refrigerant,
- un troisième échangeur thermique de refroidissement du composé réfrigérant comprimé,a third heat exchanger for cooling the compressed refrigerant compound,
- un troisième corps d’échange de chaleur entre :- a third heat exchange body between:
- 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,the expanded coolant and the coolant to cool the coolant, the coolant being supplied to a means of expansion of the coolant,
- 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 d’échange de chaleur et- the gas and the refrigerant expanded to cool the gas, the vaporized refrigerant being supplied to the third compressor and the cooled gas being supplied to the first heat exchange body and
- le moyen de détente du composé réfrigérant refroidi dans le troisième corps d’échange, le composé réfrigérant détendu étant fourni au troisième corps d’échange.- The means of expansion of the cooled refrigerant in the third exchange body, the expanded refrigerant being supplied to the third exchange body.
Ces modes de réalisation permettent de pré-refroidir le gaz avant que ce gaz traverse le premier corps d’échange de chaleur.These embodiments allow the gas to be precooled before this gas passes through the first heat exchange body.
Dans des modes de réalisation, le fluide réfrigérant en sortie du deuxième échangeur thermique est fourni au troisième corps d’échange, le fluide réfrigérant étant refroidi par échange de chaleur avec le composé réfrigérant dans le troisième corps d’échange, le fluide réfrigérant en sortie du troisième corps d’échange étant fourni au premier corps d’échange.In embodiments, the coolant leaving the second heat exchanger is supplied to the third exchange body, the coolant being cooled by heat exchange with the coolant in the third exchange body, the coolant leaving the third exchange body being supplied to the first exchange body.
Ces modes de réalisation permettent de refroidir le réfrigérant et gagner en efficacité énergétique.These embodiments make it possible to cool the refrigerant and gain energy efficiency.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte un quatrième corps d’échange de chaleur entre le composé réfrigérant détendu en sortie du moyen de détente et le dioxyde de carbone refroidi en sortie de l’échangeur thermique de refroidissement du dioxyde de carbone.In embodiments, the device which is the subject of the present invention comprises a fourth heat exchange body between the expanded refrigerant compound at the outlet of the expansion means and the carbon dioxide cooled at the outlet of the heat exchanger for cooling the dioxide. of carbon.
Ces modes de réalisation permettent de réaliser un refroidissement plus important du dioxyde de carbone en amont de l’échange de chaleur entre le dioxyde de carbone et le gaz.These embodiments allow greater cooling of the carbon dioxide upstream of the heat exchange between the carbon dioxide and the gas.
Dans des modes de réalisation, le composé réfrigérant pur est de l’ammoniac ou du propane.In embodiments, the pure refrigerant compound is ammonia or propane.
Ces modes de réalisation permettent de minimiser l’utilisation des composés explosifs.These embodiments minimize the use of explosive compounds.
Dans des modes de réalisation, le mélange réfrigérant comporte de l’azote et/ou du méthane.In embodiments, the refrigerant mixture includes nitrogen and / or methane.
Ces modes de réalisation permettent de limiter l’utilisation de composés explosifs.These embodiments limit the use of explosive compounds.
Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de liquéfaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz, qui comporte :According to a second aspect, the present invention relates to a process for liquefying a natural gas or a biogas, which comprises:
- une première étape de compression de dioxyde de carbone vaporisé,- a first stage of compression of vaporized carbon dioxide,
- une première étape d’échange thermique pour refroidir le dioxyde de carbone comprimé,- a first stage of heat exchange to cool the compressed carbon dioxide,
- une première étape d’échange chaleur entre :- a first stage of heat exchange between:
- le gaz et le dioxyde de carbone refroidi, le dioxyde de carbone refroidi étant fourni à une étape de détente du dioxyde de carbone,the gas and the cooled carbon dioxide, the cooled carbon dioxide being supplied at a stage of expansion of the carbon dioxide,
- le gaz et le dioxyde de carbone détendu, en sortie de l’étape de détente du dioxyde de carbone, le dioxyde de carbone vaporisé étant fourni à la première étape de compression et- the expanded gas and carbon dioxide, at the outlet of the expansion step of carbon dioxide, the vaporized carbon dioxide being supplied in the first compression step and
- le dioxyde de carbone détendu et le dioxyde de carbone refroidi,- expanded carbon dioxide and cooled carbon dioxide,
- l’étape de détente du dioxyde de carbone refroidi au cours de la première étape d’échange de chaleur, le dioxyde de carbone détendu étant fourni à la première étape d’échange de chaleur,- the expansion step of the carbon dioxide cooled during the first heat exchange step, the expanded carbon dioxide being supplied in the first heat exchange step,
- une deuxième étape de compression d’un fluide réfrigérant,- a second stage of compression of a refrigerant,
- une deuxième étape d’échange thermique de refroidissement du fluide réfrigérant comprimé,- a second stage of heat exchange for cooling the compressed refrigerant,
- une deuxième étape d’échange de chaleur entre :- a second stage of heat exchange between:
- le gaz en sortie de la première étape d’échange et le fluide réfrigérant refroidi, le fluide réfrigérant refroidi étant fourni à une étape de détente du fluide réfrigérant,- the gas leaving the first exchange stage and the cooled refrigerant, the cooled refrigerant being supplied at a stage of expansion of the refrigerant,
- le gaz en sortie de la première étape d’échange et le fluide réfrigérant détendu, en sortie de l’étape de détente du fluide réfrigérant, le fluide réfrigérant vaporisé étant fourni à la deuxième étape de compression etthe gas leaving the first exchange stage and the expanded refrigerant, at the outlet of the expansion step of the refrigerant, the vaporized refrigerant being supplied in the second compression stage and
- le fluide réfrigérant détendu et le fluide réfrigérant refroidi,- the expanded refrigerant and the cooled refrigerant,
- l’étape de détente du fluide réfrigérant refroidi au cours de la deuxième étape d’échange de chaleur, le fluide réfrigérant détendu étant fourni à la deuxième étape d’échange de chaleur.- the expansion step of the coolant cooled during the second heat exchange step, the expanded coolant being supplied in the second heat exchange step.
Dans des modes de réalisation, le fluide réfrigérant en sortie de la deuxième étape d’échange thermique est fourni à la première étape d’échange, le fluide réfrigérant étant refroidi par échange de chaleur avec le dioxyde de carbone au cours de la première étape d’échange de chaleur, le fluide réfrigérant en sortie de la première étape d’échange étant fourni à la deuxième étape d’échange.In embodiments, the refrigerant leaving the second heat exchange stage is supplied to the first exchange stage, the refrigerant being cooled by heat exchange with carbon dioxide during the first stage d heat exchange, the refrigerant leaving the first exchange step being supplied to the second exchange step.
Dans des modes de réalisation, le procédé objet de la présente invention comporte :In embodiments, the method which is the subject of the present invention comprises:
- une troisième étape de compression d’un composé réfrigérant pur vaporisé,- a third stage of compression of a pure vaporized refrigerant,
- une troisième étape d’échange thermique de refroidissement du composé réfrigérant comprimé,- a third stage of heat exchange for cooling the compressed refrigerant,
- une troisième étape d’échange de chaleur entre :- a third stage of heat exchange between:
- le composé réfrigérant détendu et le composé réfrigérant refroidi pour refroidir le composé réfrigérant, le composé réfrigérant refroidi étant fourni à une étape de détente du composé réfrigérant,the expanded coolant and the coolant to cool the coolant, the coolant being supplied to a step of relaxing the coolant,
- 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 refroidi étant fourni à la première étape d’échange de chaleur et- the gas and the refrigerant expanded to cool the gas, the vaporized refrigerant being supplied in the third compression step and the cooled gas being supplied in the first heat exchange step and
- l’étape de détente du composé réfrigérant refroidi au cours de la troisième étape d’échange, le composé réfrigérant détendu étant fourni à la troisième étape d’échange.the expansion step of the refrigerant compound cooled during the third exchange step, the expanded refrigerant being supplied in the third exchange step.
Dans des modes de réalisation, le fluide réfrigérant en sortie de la deuxième étape d’échange thermique est fourni à la troisième étape d’échange, le fluide réfrigérant étant refroidi par échange de chaleur avec le composé réfrigérant au cours de la troisième étape d’échange de chaleur, le fluide réfrigérant en sortie de la troisième étape d’échange étant fourni à la première étape d’échange.In embodiments, the refrigerant leaving the second heat exchange stage is supplied to the third exchange stage, the refrigerant being cooled by heat exchange with the refrigerant during the third stage of heat exchange, the refrigerant leaving the third exchange step being supplied to the first exchange step.
Dans des modes de réalisation, le procédé objet de la présente invention comporte une quatrième étape d’échange de chaleur entre le composé réfrigérant détendu en sortie de l’étape de détente et le dioxyde de carbone refroidi en sortie de l’étape d’échange thermique de refroidissement du dioxyde de carbone.In embodiments, the method which is the subject of the present invention comprises a fourth stage of heat exchange between the expanded refrigerant compound at the outlet of the expansion stage and the carbon dioxide cooled at the outlet of the exchange stage thermal cooling of carbon dioxide.
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.The aims, advantages and particular characteristics of the method which is the subject of the present invention being similar to those of the device which is the subject of the present invention, they are not repeated here.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURESBRIEF DESCRIPTION OF THE 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 :Other advantages, aims and particular characteristics of the invention will emerge from the non-limiting description which follows of at least one particular embodiment of the device and of the method which are the subject of the present invention, with reference to the appended drawings, in which:
- la figure 1 représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention,FIG. 1 schematically represents a first particular embodiment of the device which is the subject of the present invention,
- la figure 2 représente, schématiquement, un mode de réalisation particulier d’une embarcation comportant un dispositif objet de la présente invention,FIG. 2 schematically represents a particular embodiment of a boat comprising a device which is the subject of the present invention,
- la figure 3 représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une succession d’étapes particulière du procédé objet de la présente invention,FIG. 3 represents, diagrammatically and in the form of a flowchart, a succession of particular steps of the method which is the subject of the present invention,
- la figure 4 représente, schématiquement, un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention etFIG. 4 schematically represents a second particular embodiment of the device which is the subject of the present invention, and
- la figure 5 représente, schématiquement, un troisième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention.- Figure 5 shows, schematically, a third particular embodiment of the device object of the present invention.
DESCRIPTION D’EXEMPLES DE RÉALISATION DE L’INVENTIONDESCRIPTION OF EXAMPLES OF EMBODIMENT OF THE 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.This description is given without limitation, each characteristic of an embodiment can be combined with any other characteristic of any other embodiment in an advantageous manner.
On note dès à présent que les figures ne sont pas à l’échelle.We note now that the figures are not to scale.
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.The present invention provides a method and a device having as a general principle the cooling by successive heat exchanges between natural gas or biogas with refrigerating bodies or mixtures. In this way, the temperature of the biogas or natural gas is gradually lowered until the liquefaction of said biogas or natural gas.
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 troisième corps d’échange de chaleur 150 tel que décrit en regard des figures 1, 4 et 5 et à la troisième étape d’échange de chaleur 350 telle que décrite en regard de la figure 3. Ce pré-refroidissement 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 de d’échange de chaleur 330 ou au premier corps d’échange de chaleur 130.Preferably, this cooling in stages includes a pre-cooling by heat exchange between natural gas or biogas and a pure cooled refrigerant. This pre-cooling stage corresponds to the third heat exchange body 150 as described with reference to FIGS. 1, 4 and 5 and to the third heat exchange step 350 as described with regard to FIG. 3. This precooling can be carried out externally to the process or to the device which is the subject of the present invention, the precooled gas then being supplied to the first heat exchange step 330 or to the first heat exchange body 130.
Ce refroidissement par étapes inclut, en guise de refroidissement principal, une étape d’échange de chaleur entre le gaz naturel ou le biogaz et du dioxyde de carbone refroidi. Ce refroidissement est préférentiellement réalisé après l’étape de pré-refroidissement mentionnée ci-dessus.This stepwise cooling includes, as the main cooling, a step of heat exchange between natural gas or biogas and cooled carbon dioxide. This cooling is preferably carried out after the pre-cooling step mentioned above.
Ce refroidissement par étapes inclut, en guise de refroidissement secondaire, dit de « liquéfaction », une étape d’échange de chaleur entre le gaz naturel ou le biogaz et un fluide réfrigérant refroidi. Ce refroidissement est réalisé après l’étape de refroidissement principale mentionnée ci-dessus.This cooling in stages includes, as secondary cooling, called "liquefaction", a stage of heat exchange between natural gas or biogas and a cooled refrigerant. This cooling is carried out after the main cooling step mentioned above.
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.During this liquefaction step, the temperature of the gas is again lowered so that the gas is substantially liquefied.
Alternativement, le fluide froid utilisé dans l’étape de liquéfaction traverse, avant d’être injecté dans le corps d’échange de chaleur de cette étape, le corps d’échange de chaleur mis en œuvre dans l’étape de refroidissement principal et/ou l’étape de pré-refroidissement.Alternatively, the cold fluid used in the liquefaction stage passes, before being injected into the heat exchange body of this stage, the heat exchange body used in the main cooling stage and / or the pre-cooling step.
Dans des variantes, le dioxyde de carbone refroidi est refroidi par échange de chaleur avec le composé réfrigérant détendu de l’étape de pré-refroidissement.In alternative embodiments, the cooled carbon dioxide is cooled by heat exchange with the expanded coolant from the precooling step.
Ainsi, comme on le comprend, le gaz entrant dans le procédé est graduellement liquéfié par l’échange de chaleur entre :Thus, as we understand, the gas entering the process is gradually liquefied by the heat exchange between:
- le gaz et un composé réfrigérant pur si le procédé inclut une étape de prérefroidissement,- gas and a pure coolant if the process includes a precooling step,
- le gaz, un mélange réfrigérant et du dioxyde de carbone et- gas, a cooling mixture and carbon dioxide, and
- le gaz et le mélange réfrigérant.- the gas and the refrigerant mixture.
La présente description divulgue l’objet de la présente invention, en regard des figures 1, 3, 4 et 5, 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.The present description discloses the object of the present invention, with reference to FIGS. 1, 3, 4 and 5, by first presenting the main cooling stage, then the pre-cooling stage and finally the stage liquefaction, these last two steps being optional.
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 :FIG. 1, which is not to scale, shows a schematic view of an embodiment of the device 100 which is the subject of the present invention. This device 100 for liquefying a natural gas or biogas, comprises:
- un premier compresseur 120 de dioxyde de carbone vaporisé,a first compressor 120 of vaporized carbon dioxide,
- un premier échangeur 125 thermique de refroidissement du dioxyde de carbone comprimé,a first heat exchanger 125 for cooling the compressed carbon dioxide,
- un premier corps 130 d’échange de chaleur entre :- a first heat exchange body 130 between:
- le gaz et le dioxyde de carbone refroidi, le dioxyde de carbone refroidi étant fourni à un moyen 135 de détente du dioxyde de carbone,the gas and the cooled carbon dioxide, the cooled carbon dioxide being supplied to a means 135 for expansion of the carbon dioxide,
- le gaz et le dioxyde de carbone détendu, en sortie du moyen de détente du dioxyde de carbone, le dioxyde de carbone vaporisé étant fourni au premier compresseur etthe expanded gas and carbon dioxide, at the outlet of the means for expanding the carbon dioxide, the vaporized carbon dioxide being supplied to the first compressor, and
- le dioxyde de carbone détendu et le dioxyde de carbone refroidi,- expanded carbon dioxide and cooled carbon dioxide,
- 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,the means 135 for expanding the cooled carbon dioxide in the first exchange body, the expanded carbon dioxide being supplied to the first exchange body,
- un deuxième compresseur 105 d’un fluide réfrigérant,- a second compressor 105 of a refrigerant,
- un deuxième échangeur 110 thermique de refroidissement du fluide réfrigérant comprimé,a second heat exchanger 110 for cooling the compressed refrigerant,
- un deuxième corps 160 d’échange de chaleur entre :- a second body 160 for heat exchange between:
- le gaz en sortie du premier corps 130 d’échange et le fluide réfrigérant refroidi, le fluide réfrigérant refroidi étant fourni à un moyen 115 de détente du fluide réfrigérant,the gas leaving the first exchange body 130 and the cooled refrigerant, the cooled refrigerant being supplied to a means 115 for expansion of the refrigerant,
- le gaz en sortie du premier corps 130 d’échange et le fluide réfrigérant détendu, en sortie du moyen de détente du fluide réfrigérant, le fluide réfrigérant vaporisé étant fourni au deuxième compresseur etthe gas leaving the first exchange body 130 and the expanded refrigerant, at the outlet of the expansion means of the refrigerant, the vaporized refrigerant being supplied to the second compressor and
- le fluide réfrigérant détendu et le fluide réfrigérant refroidi,- the expanded refrigerant and the cooled refrigerant,
- le moyen 115 de détente du fluide réfrigérant refroidi dans le deuxième corps d’échange, le fluide réfrigérant détendu étant fourni au deuxième corps d’échange.- The means 115 for expansion of the cooled refrigerant in the second exchange body, the expanded refrigerant being supplied to the second exchange body.
Le premier compresseur 120 est, par exemple, un compresseur à pistons sec, un compresseur centrifuge ou un compresseur alternatif. Ce premier 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 l’approche de l’échangeur de chaleur ; c’est-à-dire de l’écart de température minimum, donnée communiquée par le constructeur. En entrée du premier compresseur 120, le dioxyde de carbone présente une pression comprise entre 5 et 10 bar, préférentiellement entre 8 et 9 bar.The first compressor 120 is, for example, a dry piston compressor, a centrifugal compressor or an alternative compressor. This first compressor 120 makes it possible to raise the pressure of carbon dioxide. The carbon dioxide outlet pressure is set as a function of the saturated carbon dioxide pressure and the pressure drops in the carbon dioxide circuit in order to allow the liquid carbon dioxide to evaporate at a temperature between 35 ° C and -45 ° C. The evaporation temperature is chosen according to the approach of the heat exchanger; that is to say the minimum temperature difference, data communicated by the manufacturer. At the inlet of the first compressor 120, the carbon dioxide has a pressure of between 5 and 10 bar, preferably between 8 and 9 bar.
Lors de cette compression, le dioxyde de carbone subit un réchauffement important et présente une pression supérieure à 20 bar, par exemple 36 bar. Ce flux de dioxyde de carbone est dirigé vers le premier échangeur 125 thermique pour y être refroidit. Ce premier 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 premier échangeur 125, le dioxyde de carbone est refroidi à une température d’environ comprise préférentiellement entre 7°C et 30°C, par exemple 24°C.During this compression, the carbon dioxide undergoes significant heating and has a pressure greater than 20 bar, for example 36 bar. This flow of carbon dioxide is directed to the first heat exchanger 125 to be cooled there. This first heat exchanger 125 is, for example, a tubular exchanger using air or water as cold fluid. At the outlet of this first exchanger 125, the carbon dioxide is cooled to a temperature of approximately between preferably 7 ° C and 30 ° C, for example 24 ° C.
Le dioxyde de carbone sortant de ce premier échangeur 125 est ensuite dirigé vers le premier corps 130 d’échange.The carbon dioxide leaving this first exchanger 125 is then directed to the first exchange body 130.
Ce premier corps 130 d’échange présente deux extrémités :This first exchange body 130 has two ends:
- 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- one, called "hot", corresponds to the part of the first body 130 near the gas inlet in this first exchange body 130 and
- 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.- the other, called "cold", corresponds to the part of the first body 130 near the outlet of the cooled gas from this first exchange body 130.
Préférentiellement, le dioxyde de carbone refroidi sortant du premier 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.Preferably, the cooled carbon dioxide leaving the first exchanger 125 is injected into the first exchange body 130 at the hot end of the first exchange body 130. The carbon dioxide is liquefied and sub-cooled during the heat exchange, with the expanded carbon dioxide and / or the cooling mixture, produced in the first exchange body 130.
Le dioxyde de carbone sous refroidi et liquéfié, qui présente en sortie du premier corps 130 d’échange une température comprise entre -10°C et 5°C par exemple, 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 comprise entre 7 et 10 bar, par exemple, 9 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 premier échangeur 125 thermique.The sub-cooled and liquefied carbon dioxide, which exhibits at the outlet of the first exchange body 130 a temperature of between -10 ° C. and 5 ° C., for example, is expanded in the means 135 for relaxing the carbon dioxide. The expansion means 135 is, for example, a Joule-Thomson valve performing isenthalpic expansion of the carbon dioxide. The cooled carbon dioxide is expanded to a pressure between 7 and 10 bar, for example, 9 bar. In variants, the expansion means 135 is an expansion turbine. Such an expansion turbine makes it possible to recover the expansion energy to drive the compression means of the device 100 and thus improve the energy efficiency of the process. The expanded carbon dioxide is then supplied to the first exchange body 130 so as to participate in the cooling of the gas and of the carbon dioxide cooled by the first heat exchanger 125.
Le dioxyde de carbone vaporisé au cours de l’échange thermique réalisé dans le premier corps 130 d’échange est fourni au premier compresseur 120 de manière à former un cycle. Le premier corps 130 d’échange est de type PFHE (pour « Plate-fin 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.The carbon dioxide vaporized during the heat exchange produced in the first exchange body 130 is supplied to the first compressor 120 so as to form a cycle. The first exchange body 130 is of type PFHE (for “Plate-fin heat exchanger”, translated by plate heat exchanger) or BAHX (for “Brazed aluminum heat exchanger”, translated by brazed aluminum heat exchanger) by example.
Ainsi, plusieurs échanges de chaleur ont lieu au sein du premier corps 130 d’échange :Thus, several heat exchanges take place within the first exchange body 130:
- un premier échange entre le dioxyde de carbone détendu et le dioxyde de carbone refroidi pour refroidir le dioxyde de carbone détendu, le dioxyde de carbone refroidi étant fourni à un moyen 135 de détente du dioxyde de carbone eta first exchange between the expanded carbon dioxide and the cooled carbon dioxide to cool the expanded carbon dioxide, the cooled carbon dioxide being supplied to a means 135 for relaxing the carbon dioxide and
- un deuxième échange entre le gaz et le dioxyde de carbone détendu pour refroidir le gaz, le dioxyde de carbone vaporisé étant fourni au premier compresseur 120.a second exchange between the gas and the expanded carbon dioxide to cool the gas, the vaporized carbon dioxide being supplied to the first compressor 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 à -10°C.The first exchange body 130 is configured so that at the outlet, the gas has a temperature between -30 ° C and -40 ° C. At the inlet, the gas has a temperature between 0 and -10 ° C with preferably a temperature between -8 ° C and -10 ° C.
Le fluide réfrigérant mis en œuvre au cours de l’étape de liquéfaction, correspondant à la deuxième étape 360 d’échange de chaleur de la figure 3, 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. Par exemple, le fluide réfrigérant est constitué de 99% de méthane. Le fluide réfrigérant est préférentiellement un corps pur, mais peut également être un mélange. En particulier, le fluide réfrigérant peut-être du BOG (de « Boil-off gas » pour gaz d’évaporation). Ce BOG peut provenir d’un réservoir à bord d’un navire par exemple.The refrigerant used during the liquefaction step, corresponding to the second heat exchange step 360 of FIG. 3, comprises, for example, nitrogen, methane, ethane, ethylene, propane, iso-butane, iso-pentane, normal butane and / or npentane. For example, the refrigerant consists of 99% methane. The refrigerant is preferably a pure body, but can also be a mixture. In particular, the refrigerant may be BOG ("Boil-off gas" for evaporative gas). This BOG can come from a tank on board a ship for example.
Le deuxième compresseur 105 est, par exemple, un compresseur centrifuge ou alternatif. Ce deuxième compresseur 105 permet, par exemple, d’élever la pression du fluide réfrigérant à une pression supérieure à 40 bar, préférentiellement entre 60 et 80 bar. En entrée du deuxième compresseur 105, le fluide réfrigérant présente, par exemple, une pression de comprise entre 2 barg et 4 barg préférentiellement.The second compressor 105 is, for example, a centrifugal or reciprocating compressor. This second compressor 105 allows, for example, to raise the pressure of the refrigerant to a pressure greater than 40 bar, preferably between 60 and 80 bar. At the inlet of the second compressor 105, the refrigerant has, for example, a pressure of between 2 barg and 4 barg preferably.
Préférentiellement, ce deuxième compresseur 105 comprime le fluide réfrigérant en deux étapes de compression successives. Dans des variantes, le fluide 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 fluide réfrigérant ne dépasse pas la température de 200°C.Preferably, this second compressor 105 compresses the refrigerant fluid in two successive compression stages. In variants, the compressed refrigerant is cooled by a heat exchanger (not shown) before being compressed in the second compression step. This heat exchanger (not shown) is, for example, a tubular exchanger using air or water as cold fluid. The heat exchanger produced between the two compression stages aims to ensure that the refrigerant does not exceed the temperature of 200 ° C.
Le deuxième échangeur 110 thermique est, par exemple, un échangeur tubulaire utilisant en tant que fluide froid de l’air ou de l’eau. Ce deuxième échangeur 110 thermique vise à refroidir le fluide réfrigérant comprimé à une température comprise, préférentiellement, entre 10°C et25°C.The second heat exchanger 110 is, for example, a tubular exchanger using air or water as cold fluid. This second heat exchanger 110 aims to cool the compressed refrigerant to a temperature, preferably between 10 ° C and 25 ° C.
Ce deuxième corps 160 d’échange présente deux extrémités :This second exchange body 160 has two ends:
- l’une, dite «chaude», correspond à la partie du deuxième corps 160 à proximité de l’entrée de gaz dans ce deuxième corps 160 d’échange et- one, called "hot", corresponds to the part of the second body 160 near the gas inlet in this second exchange body 160 and
- l’autre, dite «froide», correspond à la partie du deuxième corps 160 à proximité de la sortie de gaz refroidi de ce deuxième corps 160 d’échange.- the other, called "cold", corresponds to the part of the second body 160 near the outlet of cooled gas from this second exchange body 160.
Préférentiellement, le fluide réfrigérant refroidi sortant du deuxième échangeur 110 thermique est injecté dans le deuxième corps 160 d’échange au niveau de l’extrémité chaude du deuxième corps 160 d’échange. Le fluide réfrigérant est liquéfié et sous-refroidi au cours de l’échange de chaleur, avec le fluide réfrigérant détendu.Preferably, the cooled refrigerant leaving the second heat exchanger 110 is injected into the second exchange body 160 at the hot end of the second exchange body 160. The refrigerant is liquefied and sub-cooled during the heat exchange, with the expanded refrigerant.
Le fluide réfrigérant sous refroidi et liquéfié est détendu dans le moyen 115 de détente du fluide réfrigérant. Le moyen 115 de détente est, par exemple, une vanne Joule-Thomson réalisant une détente isenthalpique du fluide réfrigérant. Le fluide réfrigérant refroidi est détendu à une pression, par exemple, comprise entre 2 barg et 4 barg. 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.The sub-cooled and liquefied refrigerant is expanded in the means 115 for expansion of the refrigerant. The expansion means 115 is, for example, a Joule-Thomson valve providing isenthalpic expansion of the refrigerant. The cooled refrigerant is expanded to a pressure, for example, between 2 barg and 4 barg. In variants, the expansion means 115 is an expansion turbine. Such an expansion turbine makes it possible to recover the expansion energy to drive the compression means of the device 100 and thus improve the energy efficiency of the process.
Le fluide réfrigérant détendu est ensuite fourni au deuxième corps 160 d’échange de manière à participer au refroidissement du gaz.The expanded refrigerant is then supplied to the second exchange body 160 so as to participate in the cooling of the gas.
Le fluide réfrigérant vaporisé au cours de l’échange thermique réalisé dans le deuxième corps 160 d’échange est fourni au deuxième compresseur 105 de manière à former un cycle. Le deuxième corps 160 d’échange est de type PFHE (pour « Plate-fin 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.The refrigerant vaporized during the heat exchange produced in the second exchange body 160 is supplied to the second compressor 105 so as to form a cycle. The second exchange body 160 is of type PFHE (for “Plate-fin heat exchanger”, translated by plate heat exchanger) or BAHX (for “Brazed aluminum heat exchanger”, translated by brazed aluminum heat exchanger) by example.
Ainsi, plusieurs échanges de chaleur ont lieu au sein du deuxième corps 160 d’échange :Thus, several heat exchanges take place within the second exchange body 160:
- un premier échange entre le fluide réfrigérant détendu et le fluide réfrigérant refroidi pour refroidir le dioxyde de carbone détendu, le fluide réfrigérant refroidi étant fourni à un moyen 115 de détente du fluide réfrigérant eta first exchange between the expanded refrigerant and the cooled refrigerant to cool the expanded carbon dioxide, the cooled refrigerant being supplied to a means 115 for expansion of the refrigerant and
- un deuxième échange entre le gaz et le fluide réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le fluide réfrigérant vaporisé étant fourni au deuxième compresseur 105.a second exchange between the gas and the expanded coolant to cool the gas, the vaporized coolant being supplied to the second compressor 105.
Le deuxième corps 160 d’échange est configuré pour qu’en sortie, le gaz présente une température inférieure à -140°C. En entrée, le gaz présente préférentiellement une température comprise entre -30°C et -40°C.The second exchange body 160 is configured so that at the outlet, the gas has a temperature below -140 ° C. At the inlet, the gas preferably has a temperature between -30 ° C and -40 ° C.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 4, le fluide réfrigérant en sortie du deuxième échangeur 110 thermique est fourni au premier corps 130 d’échange, le fluide réfrigérant étant refroidi par échange de chaleur avec le dioxyde de carbone dans le premier corps 130 d’échange, le fluide réfrigérant en sortie du premier corps 130 d’échange étant fourni au deuxième corps 160 d’échange.In embodiments, such as that shown in FIG. 4, the coolant leaving the second heat exchanger 110 is supplied to the first exchange body 130, the coolant being cooled by heat exchange with carbon dioxide in the first exchange body 130, the refrigerant leaving the first exchange body 130 being supplied to the second exchange body 160.
Préférentiellement, l’entrée pour fluide réfrigérant dans ce premier corps 130 d’échange est positionnée dans l’extrémité chaude et la sortie pour ce fluide réfrigérant est positionnée dans l’extrémité froide.Preferably, the inlet for refrigerant fluid in this first exchange body 130 is positioned in the hot end and the outlet for this coolant is positioned in the cold end.
Le fluide réfrigérant traversant le premier corps 130 d’échange participe au refroidissement du gaz et du dioxyde de carbone refroidi par le premier échangeur 125 thermique.The refrigerant passing through the first exchange body 130 participates in the cooling of the gas and of the carbon dioxide cooled by the first heat exchanger 125.
Le fluide réfrigérant refroidi au cours de l’échange thermique réalisé dans le premier corps 130 d’échange est fourni au deuxième corps 160 d’échange de chaleur manière à former un cycle.The refrigerant cooled during the heat exchange produced in the first exchange body 130 is supplied to the second heat exchange body 160 so as to form a cycle.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en regard des figures 1,4 et 5, le dispositif, 100, 400 et/ou 500, comporte :In embodiments, such as those shown with reference to FIGS. 1, 4 and 5, the device, 100, 400 and / or 500, comprises:
- un troisième compresseur 140 d’un composé réfrigérant pur vaporisé,- a third compressor 140 of a pure vaporized refrigerant,
- un troisième échangeur 145 thermique de refroidissement du composé réfrigérant comprimé,a third heat exchanger 145 for cooling the compressed refrigerant compound,
- un troisième corps 150 d’échange de chaleur entre :- a third body 150 for heat exchange between:
- 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,the expanded coolant and the coolant to cool the coolant, the coolant being supplied to means 155 for expanding the coolant,
- 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 etthe gas and the expanded refrigerant to cool the gas, the vaporized refrigerant being supplied to the third compressor and the cooled gas being supplied to the first heat exchange body 130 and
- le moyen 155 de détente du composé réfrigérant refroidi dans le troisième corps d’échange, le composé réfrigérant détendu étant fourni au troisième corps d’échange.the means 155 for expanding the cooled refrigerant in the third exchange body, the expanded refrigerant being supplied to the third exchange body.
Le composé réfrigérant pur est, par exemple, de l’ammoniac ou du propane.The pure refrigerant is, for example, ammonia or 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 8 bar. En entrée, le composé réfrigérant présente, de préférence, une pression supérieure à 2 bar.The third compressor 140 is, for example, a centrifugal or reciprocating compressor. This compressor 140 allows, for example, to raise the pressure of the refrigerant to a pressure greater than 8 bar. At the inlet, the refrigerant compound preferably has a pressure greater than 2 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°C et 20°C, par exemple 19°C.The third heat exchanger 145 is, for example, a tubular exchanger using air or water as cold fluid, or glycol water for example. This third heat exchanger 145 aims to cool the compressed refrigerant mixture to a temperature of, for example, between 5 ° C and 20 ° C, for example 19 ° C.
Le composé réfrigérant sortant de ce troisième échangeur 145 est ensuite dirigé vers le troisième corps 150 d’échange.The refrigerant leaving this third exchanger 145 is then directed to the third exchange body 150.
Ce troisième corps 150 d’échange présente deux extrémités :This third exchange body 150 has two ends:
- l’une, dite «chaude», correspond à la partie du troisième corps 150 à proximité de l’entrée de gaz dans ce troisième corps 150 d’échange et- one, called "hot", corresponds to the part of the third body 150 near the gas inlet in this third exchange body 150 and
- l’autre, dite «froide», correspond à la partie du troisième corps 150 à proximité de la sortie de gaz refroidi de ce troisième corps 150 d’échange.- the other, called "cold", corresponds to the part of the third body 150 near the outlet of cooled gas from this third exchange body 150.
Préférentiellement, le composé réfrigérant refroidi sortant du troisième échangeur 145 est injecté dans le troisième corps 150 d’échange au niveau de l’extrémité chaude du troisième 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 troisième corps 150 d’échange.Preferably, the cooled refrigerant compound leaving the third exchanger 145 is injected into the third exchange body 150 at the hot end of the third exchange body 150. The refrigerant is liquefied and sub-cooled during the heat exchange, with the expanded refrigerant made in the third exchange body 150.
Préférentiellement, l’entrée pour composé réfrigérant dans ce troisième corpsPreferably, the entry for refrigerant compound in this third body
150 d’échange est positionnée dans l’extrémité froide et la sortie pour ce composé réfrigérant est positionnée dans l’extrémité chaude.150 of exchange is positioned in the cold end and the outlet for this coolant is positioned in the hot end.
Le mélange réfrigérant détendu traversant le troisième corps 150 d’échange participe au refroidissement du gaz et du composé réfrigérant refroidi par le troisième échangeur 145 thermique.The expanded refrigerant mixture passing through the third exchange body 150 participates in the cooling of the gas and of the refrigerant compound cooled by the third heat exchanger 145.
Le composé réfrigérant vaporisé au cours de l’échange thermique réalisé dans le troisième corps 150 d’échange est fourni au troisième compresseur 140 de manière à former un cycle.The refrigerant compound vaporized during the heat exchange produced in the third exchange body 150 is supplied to the third compressor 140 so as to form a 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. Le composé réfrigérant refroidi est détendu à une pression, préférentiellement comprise entre 2 et 5 bar, et préférentiellement d’environ 3 bar. Il est également possible que le composé réfrigérant soit détendu à une pression inférieure à 2 bar, mais il y a alors des risques que la pression d’aspiration du compresseur 140 ne soit plus suffisante. 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.The sub-cooled and liquefied refrigerant compound is expanded in the means 155 for expansion of the refrigerant compound. The expansion means 155 is, for example, a Joule-Thomson valve carrying out an isenthalpic expansion of the refrigerant compound. The cooled refrigerant is expanded to a pressure, preferably between 2 and 5 bar, and preferably around 3 bar. It is also possible that the refrigerant is expanded to a pressure below 2 bar, but there is then a risk that the suction pressure of the compressor 140 will no longer be sufficient. In variants, the expansion means 155 is an expansion turbine. Such an expansion turbine makes it possible to recover the expansion energy to drive the compression means of the device 100 and thus improve the energy efficiency of the process.
Le composé détendu est ensuite fourni au troisième corps 150 d’échange de manière à participer au refroidissement du gaz et du composé refroidi par le troisième échangeur 145 thermique. Le troisième corps 150 d’échange est de type PFHE ou BAHX par exemple.The expanded compound is then supplied to the third exchange body 150 so as to participate in the cooling of the gas and of the compound cooled by the third heat exchanger 145. The third exchange body 150 is of the PFHE or BAHX type for example.
Le troisième corps 150 d’échange est configuré pour qu’en sortie, le gaz présente une température comprise entre 0°C et -10°C préférentiellement.The third exchange body 150 is configured so that at the outlet, the gas preferably has a temperature between 0 ° C and -10 ° C.
Dans des modes de réalisation, tel que celui réalisé en regard de la figure 5, le fluide réfrigérant en sortie du deuxième échangeur 110 thermique est fourni au troisième corps 150 d’échange, le fluide réfrigérant étant refroidi par échange de chaleur avec le composé réfrigérant dans le troisième corps 150 d’échange, le fluide réfrigérant en sortie du troisième corps 150 d’échange étant fourni au premier corps 130 d’échange.In embodiments, such as that produced opposite FIG. 5, the coolant leaving the second heat exchanger 110 is supplied to the third exchange body 150, the coolant being cooled by heat exchange with the coolant in the third exchange body 150, the refrigerant leaving the third exchange body 150 being supplied to the first exchange body 130.
Dans des modes de réalisation, tel que celui réalisé en regard de la figure 5, le dispositif 500 comporte un quatrième corps 505 d’échange de chaleur entre le composé réfrigérant détendu en sortie du moyen 155 de détente et le dioxyde de carbone refroidi en sortie de l’échangeur 125 thermique de refroidissement du dioxyde de carbone.In embodiments, such as that produced with reference to FIG. 5, the device 500 comprises a fourth body 505 for heat exchange between the refrigerant compound expanded at the outlet of the expansion means 155 and the carbon dioxide cooled at the outlet of the carbon dioxide cooling heat exchanger 125.
Le quatrième corps 505 d’échange est, par exemple, un échangeur à plaques.The fourth exchange body 505 is, for example, a plate exchanger.
On observe, en figure 2, un mode de réalisation d’une embarcation 200 comportant un dispositif 100, 400 ou 500 tel que décrit en regard des figures 1, 4 etIn FIG. 2, we observe an embodiment of a boat 200 comprising a device 100, 400 or 500 as described with reference to FIGS. 1, 4 and
5.5.
On observe, en figure 3, un mode de réalisation du procédé 300 objet de la présente invention. Ce procédé 300 de liquéfaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz, qui comporte :FIG. 3 shows an embodiment of the method 300 which is the subject of the present invention. This process 300 for liquefying a natural gas or biogas, which comprises:
- une première étape de compression 320 de dioxyde de carbone vaporisé,a first compression step 320 of vaporized carbon dioxide,
- une première étape d’échange 325 thermique pour refroidir le dioxyde de carbone comprimé,- a first heat exchange step 325 to cool the compressed carbon dioxide,
- une première étape d’échange 330 de chaleur entre :- a first stage of heat exchange 330 between:
- le gaz et le dioxyde de carbone refroidi 330a, le dioxyde de carbone refroidi étant fourni à une étape 335 de détente du dioxyde de carbone,the gas and the cooled carbon dioxide 330a, the cooled carbon dioxide being supplied in a step 335 of expansion of the carbon dioxide,
- le gaz et le dioxyde de carbone détendu 330b, en sortie de l’étape 335 de détente du dioxyde de carbone, le dioxyde de carbone vaporisé étant fourni à la première étape de compression 320 etthe gas and the expanded carbon dioxide 330b, at the outlet of step 335 of expansion of the carbon dioxide, the vaporized carbon dioxide being supplied in the first compression step 320 and
- le dioxyde de carbone détendu et le dioxyde de carbone refroidi 330c,- expanded carbon dioxide and cooled carbon dioxide 330c,
- l’étape 335 de détente du dioxyde de carbone refroidi au cours de la première étape d’échange 330 de chaleur, le dioxyde de carbone détendu étant fourni à la première étape d’échange 330 de chaleur,the step 335 of expansion of the carbon dioxide cooled during the first heat exchange step 330, the expanded carbon dioxide being supplied to the first heat exchange step 330,
- une deuxième étape de compression 305 d’un fluide réfrigérant,- a second compression step 305 of a refrigerant,
- une deuxième étape d’échange 310 thermique de refroidissement du fluide réfrigérant comprimé,- a second stage of heat exchange 310 for cooling the compressed refrigerant,
- une deuxième étape 360 d’échange de chaleur entre :- a second stage 360 of heat exchange between:
- le gaz en sortie de la première étape 330 d’échange et le fluide réfrigérant refroidi 360a, le fluide réfrigérant refroidi étant fourni à une étape 315 de détente du fluide réfrigérant,- the gas leaving the first exchange step 330 and the cooled refrigerant 360a, the cooled refrigerant being supplied to a step 315 of expansion of the refrigerant,
- le gaz en sortie de la première étape 330 d’échange et le fluide réfrigérant détendu 360b, en sortie de l’étape de détente du fluide réfrigérant, le fluide réfrigérant vaporisé étant fourni au deuxième compresseur etthe gas leaving the first exchange step 330 and the expanded coolant 360b, at the outlet of the expansion step of the coolant, the vaporized coolant being supplied to the second compressor and
- le fluide réfrigérant détendu et le fluide réfrigérant refroidi 360c,- the expanded refrigerant and the cooled refrigerant 360c,
- l’étape 315 de détente du fluide réfrigérant refroidi au cours de la deuxième étape d’échange 360 de chaleur, le fluide réfrigérant détendu étant fourni à la deuxième étape d’échange de chaleur.- Step 315 of expansion of the coolant cooled during the second heat exchange step 360, the expanded coolant being supplied in the second heat exchange step.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 3, le fluide réfrigérant en sortie de la deuxième étape d’échange 310 thermique est fourni à la première étape 330 d’échange, le fluide réfrigérant étant refroidi par échange de chaleur avec le dioxyde de carbone au cours de la première étape 330 d’échange de chaleur, le fluide réfrigérant en sortie de la première étape 330 d’échange étant fourni à la deuxième étape 360 d’échange.In embodiments, such as that shown in FIG. 3, the refrigerant fluid leaving the second heat exchange step 310 is supplied to the first heat exchange step 330, the refrigerant fluid being cooled by heat exchange with the carbon dioxide during the first heat exchange step 330, the refrigerant leaving the first exchange step 330 being supplied to the second exchange step 360.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 3, le procédé 300 objet de la présente invention comporte :In embodiments, such as that shown in FIG. 3, the method 300 which is the subject of the present invention comprises:
- une troisième étape de compression 340 d’un composé réfrigérant pur vaporisé,- a third compression step 340 of a pure vaporized refrigerant,
- une troisième étape d’échange 345 thermique de refroidissement du composé réfrigérant comprimé,- a third 345 heat exchange step for cooling the compressed refrigerant,
- une troisième étape 350 d’échange de chaleur entre :- a third stage 350 of heat exchange between:
- le composé réfrigérant détendu et le composé réfrigérant refroidi pour refroidir le composé réfrigérant 350a, le composé réfrigérant refroidi étant fourni à une étape 355 de détente du composé réfrigérant,the expanded coolant and the coolant to cool the coolant 350a, the coolant being supplied in a step 355 of expansion of the coolant,
- le gaz et le composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz 350b, le composé réfrigérant vaporisé étant fourni à la troisième étape de compression et le gaz refroidi étant fourni à la première étape 330 d’échange de chaleur etthe gas and the expanded refrigerant to cool the gas 350b, the vaporized refrigerant being supplied in the third compression step and the cooled gas being supplied in the first heat exchange step 330 and
- l’étape 355 de détente du composé réfrigérant refroidi au cours de la troisième étape d’échange, le composé réfrigérant détendu étant fourni à la troisième étape d’échange.- Step 355 of expansion of the coolant cooled during the third exchange step, the expanded coolant being supplied in the third exchange step.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 3, le fluide réfrigérant en sortie de la deuxième étape d’échange 310 thermique est fourni à la troisième étape 350 d’échange, le fluide réfrigérant étant refroidi par échange de chaleur avec le composé réfrigérant 350c au cours de la troisième étape 350 d’échange de chaleur, le fluide réfrigérant en sortie de la troisième étape 350 d’échange étant fourni à la première étape 330 d’échange.In embodiments, such as that shown in FIG. 3, the refrigerant fluid leaving the second heat exchange step 310 is supplied to the third heat exchange step 350, the coolant being cooled by heat exchange with the refrigerant compound 350c during the third heat exchange stage 350, the refrigerant leaving the third exchange stage 350 being supplied to the first exchange stage 330.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 3, le procédé 300 objet de la présente invention comporte une quatrième étape 365 5 d’échange de chaleur entre le composé réfrigérant détendu en sortie de l’étape 355 de détente et le dioxyde de carbone refroidi en sortie de l’étape d’échange 325 thermique de refroidissement du dioxyde de carbone.In embodiments, such as that shown in FIG. 3, the method 300 which is the subject of the present invention comprises a fourth step 365 5 of heat exchange between the expanded refrigerant compound at the outlet of the expansion step 355 and the dioxide of carbon cooled at the outlet of the heat exchange step 325 for cooling carbon dioxide.
Le procédé 300 est mis en œuvre, par exemple, par le dispositif 500 tel que décrit en regard de la figure 5.The method 300 is implemented, for example, by the device 500 as described with reference to FIG. 5.
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