FR3099560A1 - Procédé de liquéfaction de gaz naturel avec injection améliorée d’un courant réfrigérant mixte - Google Patents

Procédé de liquéfaction de gaz naturel avec injection améliorée d’un courant réfrigérant mixte Download PDF

Info

Publication number
FR3099560A1
FR3099560A1 FR1908841A FR1908841A FR3099560A1 FR 3099560 A1 FR3099560 A1 FR 3099560A1 FR 1908841 A FR1908841 A FR 1908841A FR 1908841 A FR1908841 A FR 1908841A FR 3099560 A1 FR3099560 A1 FR 3099560A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
stream
refrigerant stream
exchanger
refrigerant
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
FR1908841A
Other languages
English (en)
Other versions
FR3099560B1 (fr
Inventor
Sophie LAZZARINI
Sébastien Lichtle
Thomas Morel
Jean-Marc Peyron
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Priority to FR1908841A priority Critical patent/FR3099560B1/fr
Priority to AU2020320135A priority patent/AU2020320135A1/en
Priority to US17/632,112 priority patent/US20220316795A1/en
Priority to PCT/FR2020/051309 priority patent/WO2021019149A1/fr
Publication of FR3099560A1 publication Critical patent/FR3099560A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of FR3099560B1 publication Critical patent/FR3099560B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0022—Hydrocarbons, e.g. natural gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0047—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0052—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by vaporising a liquid refrigerant stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0047—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0052—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by vaporising a liquid refrigerant stream
    • F25J1/0055—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by vaporising a liquid refrigerant stream originating from an incorporated cascade
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/008—Hydrocarbons
    • F25J1/0092—Mixtures of hydrocarbons comprising possibly also minor amounts of nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0211—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0214—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a dual level refrigeration cascade with at least one MCR cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0244—Operation; Control and regulation; Instrumentation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0262—Details of the cold heat exchange system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/0292—Refrigerant compression by cold or cryogenic suction of the refrigerant gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/32—Details on header or distribution passages of heat exchangers, e.g. of reboiler-condenser or plate heat exchangers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
  • Production Of Liquid Hydrocarbon Mixture For Refining Petroleum (AREA)

Abstract

L’invention concerne un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures tel que le gaz naturel à partir d’un courant d’alimentation (110), ledit procédé comprenant les étapes suivantes : introduction du courant d’alimentation (110) dans un premier échangeur de chaleur (E1), introduction d’un premier courant réfrigérant (30) dans l’échangeur de chaleur (E1), extraction de l’échangeur de chaleur (E1) de plusieurs courants réfrigérants partiels (301, 302, 303) issus du premier courant réfrigérant (30) par des sorties distinctes (11, 12, 13), introduction de chaque courant réfrigérant partiel (301, 302, 303) issus de l’étape c) dans un organe de détente (V1, V2, V3) et détente de chaque courant réfrigérant partiel (301, 302, 303) pour produire plusieurs courants réfrigérants diphasiques à des pressions différentes, introduction de chaque courant diphasique réfrigérant issu de l’étape d) dans un organe séparateur de phases (24, 25, 26) pour produire un courant réfrigérant gazeux (31, 32, 33) qui est détourné du premier échangeur (E1) et un courant réfrigérant liquide (34, 35, 36) qui est introduit dans le premier échangeur (E1) par des entrées respectives (4, 5, 6), vaporisation de chaque courant réfrigérant liquide (31, 32, 33) par échange de chaleur avec au moins le courant d’alimentation (110) et le premier courant réfrigérant (30) de façon à extraire un courant d’hydrocarbures refroidi (102) en sortie du premier échangeur de chaleur (E1) et à extraire plusieurs courants réfrigérants vaporisés par des sorties respectives (14, 15, 16) du premier échangeur de chaleur (E1). Selon l’invention, le procédé comprend en outre, pour chacun des courants réfrigérants vaporisés issus de l’étape f), les étapes suivantes : mesure de la température du courant réfrigérant vaporisé à sa sortie respective (14, 15, 16), détermination de la température de rosée du courant réfrigérant vaporisé, détermination d’un premier écart de température correspondant à la différence entre la température mesurée à l’étape g) et la température de rosée déterminée à l’étape h), ajustement d’une consigne de débit appliquée à l’organe de détente (V1, V2, V3) en fonction du premier écart de température déterminé à l’étape i) de façon à réduire le débit de courant réfrigérant partiel détendu à l’étape d) lorsque le premier écart de température est inférieur à une première valeur prédéterminée et à augmenter le débit de courant réfrigérant partiel détendu à l’étape d) lorsque le premier écart de température est supérieur à ladite première valeur prédéterminée. Figure de l’abrégé : Fig. 1

Description

Procédé de liquéfaction de gaz naturel avec injection améliorée d’un courant réfrigérant mixte
La présente invention concerne un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures, tel que le gaz naturel, ledit procédé mettant en œuvre au moins un courant réfrigérant qui se vaporise dans un échangeur de chaleur contre le courant d’hydrocarbures à liquéfier.
Il est souhaitable de liquéfier le gaz naturel pour un certain nombre de raisons. A titre d’exemple, le gaz naturel peut être stocké et transporté sur de longues distances plus facilement à l’état liquide qu’à l’état gazeux, car il occupe un volume plus petit pour une masse donnée et n’a pas besoin d’être stocké à une pression élevée.
Il existe plusieurs méthodes de liquéfaction d’un courant de gaz naturel pour obtenir du gaz naturel liquéfié (GNL). Typiquement, un courant réfrigérant, généralement un mélange contenant des hydrocarbures, est comprimé par un compresseur puis introduit dans un échangeur de chaleur où il est liquéfié et sous-refroidi jusqu’à la température la plus froide du procédé, typiquement celle du courant de gaz naturel liquéfié. A la sortie la plus froide de l’échangeur, le courant réfrigérant est détendu en formant une phase liquide et une phase gazeuse. Ces deux phases sont remélangées et réintroduites dans l’échangeur. Le courant réfrigérant introduit à l’état diphasique dans l’échangeur y est vaporisé contre le courant d’hydrocarbures qui se liquéfie. Le document WO-A-2017081374 décrit une de ces méthodes connues.
On connait également un procédé de liquéfaction mettant en œuvre deux cycles de réfrigération. Le premier cycle de réfrigération permet de refroidir le gaz naturel jusqu’à son point de bulle à l’aide de plusieurs niveaux de détente d’un premier mélange réfrigérant fonctionnant à des pressions différentes afin d’augmenter l’efficacité du cycle. Le second cycle permet de liquéfier et de sous-refroidir le gaz naturel et met en œuvre un seul niveau de détente d’un deuxième mélange réfrigérant. A chaque niveau de détente, on obtient un fluide diphasique qui est réintroduit dans l’échangeur à l’état de mélange liquide-gaz et se vaporise par échange de chaleur avec le courant de gaz naturel qui se refroidit et se liquéfie.
Une technologie couramment utilisée pour les échangeurs de liquéfaction de gaz naturel est celle des échangeurs en aluminium à plaques et à ailettes brasés. Ces échangeurs comprennent des plaques entre lesquelles sont insérées des ondes d’échange thermique, formées d’une succession d’ailettes ou jambes d’onde, constituant ainsi un empilage de passages de vaporisation et de passages de condensation, les uns pouvant être destinés à vaporiser du liquide frigorigène et les autres à condenser un gaz calorigène.
Ces échangeurs permettent d’obtenir des dispositifs très compacts offrant une grande surface d’échange et de travailler sous des écarts de températures faibles et avec des pertes de charges réduites, ce qui améliore les performances énergétiques du procédé de liquéfaction décrit ci-dessus.
Il se pose néanmoins certains problèmes avec les méthodes de liquéfaction connues, notamment à cause de la nature diphasique des courants réfrigérants mixtes qui sont réintroduit dans les échangeurs.
En effet, afin d’assurer le bon fonctionnement d’un échangeur mettant en œuvre un mélange réfrigérant diphasique, la proportion de phase liquide et de phase gazeuse doit être la même dans tous les passages et doit être uniforme au sein d’un même passage.
Le dimensionnement de l’échangeur est calculé en supposant une répartition uniforme des phases, et donc une seule température de fin de vaporisation de la phase liquide, égale à la température de rosée du mélange. Pour un mélange à plusieurs constituants, la température de fin de vaporisation dépend de la proportion de phase liquide et de phase gazeuse dans les passages.
Dans le cas d’une répartition inégale des deux phases dans le mélange, le profil de température du premier fluide va donc varier selon les passages, voire varier au sein d’un même passage. Du fait de cette répartition non uniforme, il peut alors arriver que le ou les fluides en relation d’échange avec le mélange à deux phases aient une température en sortie de l’échangeur supérieure à celle prévue, ce qui dégrade les performances de l’échangeur de chaleur.
Une solution pour répartir plus uniformément les phases liquide et gazeuse du mélange consiste à les introduire séparément dans l’échangeur, puis à les mélanger entre elles seulement à l’intérieur de l’échangeur. On connait de FR-A-2563620 ou WO-A-2018172644 des dispositifs d’introduction diphasique dans un échangeur. Ces dispositifs sont des pièces usinées comprenant un agencement particulier de canaux séparés pour une phase liquide et une phase gazeuse et d’orifices mettant ces canaux en communication fluidique afin de distribuer un mélange liquide-gaz.
Toutefois, ces dispositifs sont des éléments complexes à dimensionner et qui peuvent, dans certaines conditions, ne pas fonctionner sur toute la plage d’utilisation du procédé. Il peut aussi se produire des déséquilibres dans l’alimentation en fluide des différents orifices, donnant lieu à une répartition inégale du mélange liquide-gaz dans la largeur du passage de l’échangeur. En outre, lorsque les débits de phase gazeuse générés par les détentes assez faibles, correspondant typiquement à des ratio gaz/liquide de 3 à 4% (% molaire), les dispositifs d’introduction diphasique peuvent complexifier inutilement l’architecture de la batterie d’échangeurs.
Un autre problème qui se pose concerne les risques de vaporisation incomplète du mélange réfrigérant diphasique. En effet, le fluide réfrigérant sortant de l’échangeur est envoyé vers un compresseur puis condensé avant d’être réintroduit dans l’échangeur, ce qui ferme le cycle de réfrigération. Si le fluide réfrigérant n’est pas totalement vaporisé à sa sortie de l’échangeur, il se peut que des gouttelettes de liquides soient envoyées dans le compresseur risquant d’endommager les organes mobiles à grande vitesse dudit compresseur.
La présente invention a pour but de résoudre en tout ou partie les problèmes mentionnés ci-avant, notamment en proposant un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures contre au moins un courant réfrigérant, dans lequel la distribution dudit courant réfrigérant dans l’échangeur est la plus homogène possible tout en simplifiant l’architecture de l’installation de liquéfaction et en préservant l’intégrité des équipements formant l’installation.
La solution selon l’invention est alors un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures tel que le gaz naturel à partir d’un courant d’alimentation, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
  1. introduction du courant d’alimentation dans un premier échangeur de chaleur,
  2. introduction d’un premier courant réfrigérant dans l’échangeur de chaleur,
  3. extraction de l’échangeur de chaleur de plusieurs courants réfrigérants partiels issus du premier courant réfrigérant par des sorties distinctes,
  4. introduction de chaque courant réfrigérant partiel issus de l’étape c) dans un organe de détente et détente de chaque courant réfrigérant partiel pour produire plusieurs courants réfrigérants diphasiques à des pressions différentes,
  5. introduction de chaque courant diphasique réfrigérant issu de l’étape d) dans un organe séparateur de phases pour produire un courant réfrigérant gazeux qui est détourné du premier échangeur et un courant réfrigérant liquide qui est introduit dans le premier échangeur par des entrées respectives,
  6. vaporisation de chaque courant réfrigérant liquide par échange de chaleur avec au moins le courant d’alimentation et le premier courant réfrigérant de façon à extraire un courant d’hydrocarbures refroidi en sortie du premier échangeur de chaleur et à extraire plusieurs courants réfrigérants vaporisés par des sorties respectives du premier échangeur de chaleur, caractérisé en ce qu’il comprend en outre, pour chacun des courants réfrigérants vaporisés issus de l’étape f), les étapes suivantes :
  7. mesure de la température du courant réfrigérant vaporisé à sa sortie respective,
  8. détermination de la température de rosée du courant réfrigérant vaporisé,
  9. détermination d’un premier écart de température correspondant à la différence entre la température mesurée à l’étape g) et la température de rosée déterminée à l’étape h),
  10. ajustement d’une consigne de débit appliquée à l’organe de détente en fonction du premier écart de température déterminé à l’étape i) de façon à réduire le débit de courant réfrigérant partiel détendu à l’étape d) lorsque le premier écart de température est inférieur à une première valeur prédéterminée et à augmenter le débit de courant réfrigérant partiel détendu à l’étape d) lorsque le premier écart de température est supérieur à ladite première valeur prédéterminée.
Selon le cas, l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • la première valeur prédéterminée est supérieure ou égale à 5 °C, de préférence inférieure à 15°C, de préférence encore comprise entre 8 et 12 °C.
  • pour chacun des courants réfrigérants vaporisés, la consigne de débit est appliquée via un organe contrôleur de débit couplé à l’organe de détente et asservi sur le premier écart de température déterminé à l’étape i).
  • préalablement à l’étape j), le débit de courant réfrigérant partiel présente une valeur de consigne et, à l’étape j), le débit de courant réfrigérant partiel est réduit ou augmenté de 5 à 20%, de préférence de 10 et 20% par rapport à la valeur de consigne.
  • les étapes g) à j) sont réitérées à une période comprise entre 100 millisecondes et 1 seconde, de préférence comprise entre 200 et 500 millisecondes.
  • le courant d’alimentation est introduit par une première entrée située à un bout chaud du premier échangeur, ladite première entrée présentant la température est la plus élevée de l’échangeur, et au moins un des courants réfrigérants liquides est introduit par une entrée respective située à un bout froid du premier échangeur, ladite entrée respective présentant la température est la plus basse de l’échangeur, les courants réfrigérants liquides étant vaporisés dans le premier échangeur dans un sens ascendant et en direction du bout chaud.
  • Le procédé comprend en outre les étapes suivantes :
k) mesure des températures d’introduction du courant d’alimentation (110) et du premier courant réfrigérant (30) dans le premier échangeur (E1),
l) mesure de la température d’au moins un courant réfrigérant vaporisé à sa sortie respective (14, 15, 16),
m) détermination d’un deuxième écart de température correspondant à la différence entre la température d’introduction du courant d’alimentation (110) et la température du courant réfrigérant vaporisé et d’un troisième écart de température correspondant à la différence entre la température d’introduction du premier courant réfrigérant (30) et la température du courant réfrigérant vaporisé,
n) ajustement de la consigne de débit appliquée à au moins un organe de détente (V1, V2, V3) en fonction du deuxième écart de température et du troisième écart de température déterminés à l’étape m) de façon à réduire le débit de courant réfrigérant partiel détendu à l’étape d) lorsque le deuxième écart de température est supérieur à une deuxième valeur prédéterminée ou le troisième écart de température est supérieur à une troisième valeur prédéterminée.
  • la deuxième valeur prédéterminée et/ou la troisième valeur prédéterminée est inférieure ou égale à 10°C, de préférence comprise entre 1 et 5°C, de préférence encore comprise entre 1 et 3°C.
  • à l’étape d), on produit au moins un premier courant diphasique réfrigérant ayant une première pression et un deuxième courant diphasique réfrigérant ayant une deuxième pression, la première pression étant supérieure à la deuxième pression, donnant lieu respectivement à un premier courant réfrigérant vaporisé sortant du premier échangeur par une première sortie respective et à un deuxième courant réfrigérant vaporisé sortant du premier échangeur par une deuxième sortie respective, la première sortie étant la plus proche du bout chaud du premier échangeur et la mesure de température de l’étape l) étant réalisée uniquement sur le premier courant vaporisé sortant par la première sortie respective.
  • chaque courant réfrigérant gazeux et chaque courant réfrigérant vaporisé issus d’un organe séparateur de phases respectif sont recombinés au niveau de point de recombinaison puis introduit dans un organe élévateur de pression tel un compresseur.
  • chaque courant réfrigérant gazeux est introduit dans un organe séparateur supplémentaire agencé entre le point de recombinaison et l’organe séparateur de phase.
  • les courants réfrigérants diphasiques produits à l’étape d) présentent chacun un ratio gaz/liquide inférieur à 10%, de préférence compris entre 2 et 5% (% molaire), ledit ratio étant défini comme le rapport entre le débit molaire de phase liquide et le débit molaire de phase gazeuse de chaque courant réfrigérant diphasique.
  • le premier courant réfrigérant comprend un mélange d'hydrocarbures contenant plusieurs constituants choisis parmi : le méthane, d'éthane, l'azote, le propane, le butane, le pentane.
  • le premier courant réfrigérant comprend entre 40 et 90% d’éthane et entre 10 et 60% de propane (% molaire).
  • l’éthane est substitué en tout ou partie par de l’éthylène et/ou le propane est substitué en tout ou partie par du propylène.
  • le procédé comprend en outre les étapes suivantes :
i) introduction du courant d’hydrocarbures refroidi sortant du premier échangeur de chaleur dans un deuxième échangeur de chaleur,
ii) introduction d’un deuxième courant réfrigérant dans le deuxième échangeur de chaleur, ledit deuxième courant réfrigérant ayant de préférence circulé au préalable dans le premier échangeur de chaleur,
iii) sortie du deuxième courant réfrigérant mixte introduit à l’étape b) et détente dudit deuxième courant réfrigérant mixte de sorte à produire un deuxième courant réfrigérant diphasique (203),
iv) réintroduction du deuxième courant réfrigérant diphasique issu de l’étape iii) dans le deuxième échangeur de chaleur, et
v) liquéfaction du courant d’hydrocarbures refroidi par échange de chaleur avec au moins le deuxième courant réfrigérant diphasique réintroduit à l’étape iv) de façon à obtenir un courant d’hydrocarbures au moins partiellement liquéfié.
L'expression "gaz naturel" se rapporte à toute composition contenant des hydrocarbures dont au moins du méthane. Cela comprend une composition « brute » (préalablement à tout traitement ou lavage), ainsi que toute composition ayant été partiellement, substantiellement ou entièrement traitée pour la réduction et/ou élimination d'un ou plusieurs composés, y compris, mais sans s'y limiter, le soufre, le dioxyde de carbone, l'eau, le mercure et certains hydrocarbures lourds et aromatiques.
La présente invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures ci-annexés, parmi lesquelles :
schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures selon un mode de réalisation de l’invention.
schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures selon un autre mode de réalisation de l’invention.
schématise un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures tel que le gaz naturel comportant un cycle de réfrigération dans lequel le gaz naturel est refroidi jusqu’à son point de rosée à l’aide de trois niveaux de détente différents pour augmenter l’efficacité du cycle.
Notons que dans le cadre de l’invention, au moins deux niveaux de détente peuvent être mis en œuvre.
Ce cycle de réfrigération est opéré au moyen d’un premier courant réfrigérant 30 introduit dans un premier échangeur de chaleur E1.
L’échangeur E1 peut être tout dispositif comprenant des passages adaptés à l’écoulement de plusieurs fluides et permettant des échanges de chaleur direct ou indirect entre lesdits fluides. De préférence, le premier échangeur E1 est un échangeur à plaques brasé comprenant plusieurs plaques (non visibles) qui s’étendent suivant deux dimensions, longueur et largeur de l’échangeur, respectivement suivant une direction longitudinale z et une direction latérale y orthogonale à z et parallèle aux plaques. Les plaques sont disposées parallèlement l’une au-dessus de l’autre avec espacement suivant une direction d’empilement x, formant ainsi une pluralité de passages pour les fluides du procédé qui sont à mettre en relation d’échange de chaleur indirect via les plaques.
Le premier courant réfrigérant 30 est introduit dans une première série de passages du premier échangeur E1. Un courant d’alimentation 110 est introduit dans le premier échangeur et circule dans une deuxième série de passages agencés, en tout ou partie, en alternance et/ou de façon adjacente avec tout ou partie des passages de la première série.
Le courant d’alimentation 110 est un mélange d’hydrocarbures pouvant être du gaz naturel, éventuellement pré-traité, par exemple ayant subi une séparation d’au moins un des constituants suivants : eau, dioxyde de carbone, composés soufrés, méthanol, avant son introduction dans l’échangeur de chaleur.
De préférence, le courant d’alimentation 110 comprend, en fraction molaire, au moins 60% de méthane, de préférence au moins 80%. Le courant d’alimentation 110 arrive par exemple à une pression comprise entre 20 et 90 bar. De préférence, le courant d’alimentation est introduit dans le premier échangeur à une température comprise entre -10 et 60 °C.
Le courant d’alimentation 110 peut être fractionné, c'est-à-dire qu'une partie des hydrocarbures C2+ contenant au moins deux atomes de carbone est séparée du gaz naturel en utilisant un dispositif connu de l'homme de l'art. Les hydrocarbures C2+ recueillis sont envoyés dans des colonnes de fractionnement comportant un deéthaniseur. La fraction légère recueillie en tête du deéthaniseur peut être mélangée avec le courant 110. La fraction liquide recueillie en fond du deéthaniseur est envoyée à un dépropaniseur.
Le courant d’alimentation 110 est introduit dans le premier échangeur E1 par une première entrée 20. Le premier courant réfrigérant 30 entre dans l’échangeur E1 par une deuxième entrée 22 avec éventuellement un deuxième courant réfrigérant 202 introduit par une troisième entrée 21. Les entrées et les sorties des différents fluides sont agencées de sorte que l’écoulement des fluides dans l’échangeur E1 a lieu globalement parallèlement à la direction longitudinale z qui est de préférence verticale lors du fonctionnement de l’échangeur.
La première entrée 20 pour le courant d’alimentation 110 est agencée au bout chaud 1a de l’échangeur et présente la température la plus élevée du premier échangeur E1. Par opposition, le bout froid 1b de l’échangeur présente le point d’entrée dans l’échangeur où un fluide est introduit avec la température la plus basse des températures de l’échangeur.
De préférence, la deuxième entrée 21 pour le premier courant réfrigérant 30, et éventuellement la troisième entrée 20 pour le courant 202 sont agencées du côté du bout chaud 1a de sorte que les courants 110, 202, 30 circulent à co-courant dans le sens descendant, en direction du bout froid 2b situé à un niveau inférieur de l’échangeur.
Le premier courant réfrigérant peut être formé par un mélange d'hydrocarbures tels qu'un mélange d'éthane et de propane, mais peut également contenir de l’azote, du méthane, du butane et/ou du pentane. De préférence, le premier courant réfrigérant comprend entre 40 et 90% d’éthane et entre 10 et 60% de propane (% molaire).
Notons que selon un mode de réalisation de l’invention, l’éthane peut être substitué en tout ou partie par de l’éthylène et/ou le propane être substitué en tout ou partie par du propylène. Cela permet un gain en efficacité du procédé car l’écart de température de vaporisation à pression constante entre éthylène et propylène est plus important que l’écart de ces dites températures pour de l’éthane et du propane. Ceci permet de minimiser l’écart de température entre les fluides froids et les fluides chauds et ainsi d’améliorer l’efficacité du procédé.
Après son introduction par la deuxième entrée 22, le premier courant réfrigérant 30 est scindé en trois fractions 301, 302, 303, appelées courants réfrigérants partiels, qui sont successivement soutirées par des sorties respectives 11, 12, 13 de l’échangeur E1. Chaque courant réfrigérant partiel est détendu à travers un organe de détente V1, V2 et V3 respectif, de façon à abaisser la pression des courants réfrigérants partiels à trois niveaux de pression différents.
Par « organe de détente », on entend tout dispositif, tel une vanne, par exemple une vanne Joule-Thomson, une turbine ou une combinaison d'une turbine et d’une vanne, agencé sur ou dans le circuit de fluide, de préférence une vanne contrôlée automatiquement, et permettant d'opérer une réduction de la pression du fluide depuis une valeur de pression initiale jusqu'au une valeur de pression souhaitée.
De préférence, les courants réfrigérants partiels sont détendus à des valeurs de pressions qui augmentent suivant la direction longitudinale z, i. e en direction du bout chaud 1a.
De préférence, la valeur de pression du niveau de détente le plus bas est comprise entre 1,1 et 2,5 bar. La valeur de pression du niveau de détente le plus élevé est comprise entre 10 et 20 bar. Il peut y avoir au moins un niveau de pression intermédiaire avec une valeur de pression de détente comprise entre 4,5 et 7,5 bar.
De préférence, les courants réfrigérants partiels détendus présentent des températures qui augmentent suivant la direction longitudinale z, i. e en direction du bout chaud 1a. Ces températures correspondent aux températures d’introduction aux entrées respectives dans l’échangeur E1. De préférence le courant réfrigérant partiel détendu au niveau de pression le plus bas présente une température comprise entre -80 et -60 °C. Le courant réfrigérant partiel détendu au niveau de pression le plus élevé présente une température comprise entre -20 et 10°C. Il peut y avoir au moins un niveau de détente intermédiaire avec une température après détente comprise entre -50 et -25°C. Les températures des courants réfrigérants vaporisés aux sorties respectives peuvent être comprises entre -10 et 60 °C, 20 et -45 °C et/ou -20 et -75 °C, respectivement pour les niveaux de détente décrits ci-dessus.
Les détentes donnent lieu à plusieurs courants réfrigérants diphasiques qui sont introduits dans des organes séparateur de phases 24, 25, 26. De tels organes peuvent être tout dispositif adapté pour séparer un courant réfrigérant diphasique en un courant réfrigérant gazeux d’une part et un courant réfrigérant liquide d’autre part.
Notons que les courants réfrigérants diphasiques présentent généralement chacun un ratio gaz/liquide inférieur à 10%, de préférence compris entre 2 et 5% (% molaire), ledit ratio étant défini comme le rapport entre le débit molaire de phase liquide et le débit molaire de phase gazeuse.
Dans le cadre de l’invention, seules les phases liquides 34, 35, 36 extraites des courants diphasiques réfrigérants sont réintroduites dans le premier échangeur E1 pour y être vaporisées contre le courant d’alimentation 110 et le premier courant réfrigérant 30. Les phases gazeuses 31, 32, 33 sont détournées du premier échangeur E1, c’est-à-dire qu’elles n’y sont pas introduites.
Ainsi, on simplifie grandement l’installation de liquéfaction puisqu’il n’est plus nécessaire de prévoir des dispositifs d’introduction spécifiques et on évite les problèmes liés à une répartition inhomogène des phases au sein des courants réfrigérants diphasiques. En outre, les phases gazeuses n’échangent habituellement que de la chaleur sensible lorsqu’elles s’écoulent dans l’échangeur, si bien que l’impact sur les performances énergétiques du cycle est négligeable.
Dans l’échangeur E1, chaque courant réfrigérant liquide est vaporisé contre le courant d’alimentation 110 qui se refroidit, voire se liquéfie au moins partiellement. De préférence, les courants réfrigérants liquides s’écoulent depuis le bout froid 1b de l’échangeur E1 vers son bout chaud 1a suivant la direction longitudinale z, dans le sens ascendant. Notons que les couples d’entrées et sorties respectives sont agencées de préférence par ordre croissant de pression de détente en direction du bout chaud 1a. Notons également que les courants réfrigérants liquides sont introduits dans des passages dédiés de l’échangeur agencés en relation d’échange thermique avec tout ou partie des passages de la première série et de la deuxième série.
On obtient un courant d’hydrocarbures 102 refroidi en sortie de l'échangeur E1, par exemple à une température comprise entre -55 et -75 °C.
De préférence, le premier courant 30 est aussi refroidi contre les courants réfrigérants liquides qui se vaporisent.
Plusieurs courants réfrigérants vaporisés sortent du premier échangeur par des sorties respectives 14, 15, 16 puis envoyés à différents étages d’au moins un organe élévateur de pression K1, tel un compresseur. Le courant issu du compresseur est introduit dans un échangeur de chaleur indirect tel un condenseur et condensé par échange de chaleur avec un fluide extérieur de refroidissement, par exemple de l'eau ou de l'air, pour être ensuite renvoyé dans le premier échangeur E1 par la deuxième entrée 22.
La pression du premier courant réfrigérant à la sortie du compresseur peut être comprise entre 25 et 50 bar. La température du premier courant réfrigérant à la sortie du condenseur peut être comprise entre -10 et 60 °C.
Avantageusement, les phases gazeuses 31, 32, 33 qui ont été détournées du premier échangeur E1 sont recombinées avec les courants réfrigérants vaporisés correspondants qui sortent du premier échangeur E1. Cela offre l’avantage d’abaisser la température des fluides introduits dans le compresseur et donc de diminuer la puissance nécessaire à la recompression.
Entre chaque organe séparateur de phases 24, 25, 26 et chaque point de recombinaison respectif, il peut être prévu un organe séparateur supplémentaire, par exemple une vanne. Cela permet si besoin d’ajuster le niveau de liquide dans l’organe séparateur de phase 24, 25, 26 ou, en cas d’arrêt de l’installation, d’éviter que des courants gazeux froids s’écoulent vers l’extérieur de l’enveloppe calorifugée, également appelée boîte froide, contenant les échangeurs E1 et E2 ainsi que les séparateurs de phase 24, 35, 26 et 27.
Selon l’invention, on mesure en outre, pour chacun des courants réfrigérants vaporisés sortant du premier échangeur E1, la température du courant réfrigérant vaporisé à sa sortie respective 14, 15, 16.
On détermine en outre de la température de rosée du courant réfrigérant vaporisé. Les termes « point de rosée » ou « température de rosée » désignent la température au-dessous de laquelle, à la pression considérée, la vapeur d'un élément gazeux, se condense. C’est la température à partir de laquelle la première goutte de liquide apparaît dans le courant.
Cette température dépend notamment de la composition du courant réfrigérant et de la valeur de pression du niveau de détente considéré.
A partir de ces informations, on détermine un premier écart de température correspondant à la différence entre la température mesurée du courant réfrigérant vaporisé et la température de rosée. En fonction du premier écart, on ajuste une consigne de débit appliquée à l’organe de détente de l’étage considéré de façon à réduire le débit de courant réfrigérant partiel détendu lorsque le premier écart de température est inférieur à une première valeur prédéterminée et à augmenter le débit de courant réfrigérant partiel détendu lorsque le premier écart de température est supérieur à ladite première valeur prédéterminée.
Ainsi, on opère une régulation du débit pour chaque courant réfrigérant partiel détendu en fonction de la température mesurée en sortie d’échangeur, de sorte à maintenir cette température de sortie supérieure à la température de rosée, et ce avec une marge de sécurité correspondant au premier écart de température.
La régulation opérée selon l’invention est avantageuse notamment en cas de diminution du débit de courant d’alimentation 110 introduit dans le premier échangeur E1, car elle permet d’ajuster en conséquence le débit de courant réfrigérant entrant dans l’échangeur afin qu’il ne soit pas trop important et que sa vaporisation soit incomplète.
On s’assure donc que le courant réfrigérant sortant par chaque sortie respective du premier échangeur est bien vaporisé en totalité, ce qui prévient les risques d’endommagement de l’organe élévateur de pression agencé en aval de l’échangeur, tout en contrôlant le débit pour que le premier écart reste suffisamment faible pour maximiser les performances de l’échangeur.
Avantageusement, la première valeur prédéterminée est strictement supérieure à 0 °C, de préférence supérieure ou égale à 2°C.
De préférence, la première valeur prédéterminée est supérieure ou égale à 5°C, de préférence inférieure ou égale à 15°C, de préférence encore comprise entre 8 et 12 °C, en particulier de l’ordre de 10 °C. Ces valeurs sont choisies afin de permettre à la fois une régulation fine du procédé tout en permettant aussi d’avoir le temps de réagir à une fluctuation brusque du procédé sans risquer d’envoyer du liquide non totalement vaporisé à l’organe élévateur de pression.
De préférence, pour chacun des courants réfrigérants vaporisés, la consigne de débit est appliquée via un organe contrôleur de débit, ou débitmètre, couplé à l’organe de détente V1, V2, V3, c’est-à-dire apte à coopérer avec l’organe de détente pour permettre de régler ou d'ajuster la valeur de débit souhaitée, ledit organe contrôleur étant asservi sur le premier écart de température.
De préférence, l’ajustement de la consigne de débit selon l’invention donne lieu à au moins une augmentation ou réduction de débit de l’ordre de 5 à 20% du débit du courant réfrigérant considéré, de préférence entre 10 et 20% (écart relatif).
Notons que les débits de courant réfrigérant entrant dans l’échangeur après les différents niveaux de détente peuvent aller de 5000 à 200 000 Nm3/h, selon la capacité de production de l’installation de liquéfaction.
De préférence, les étapes de contrôle décrites ci-dessus sont des étapes itératives. Elles peuvent être réitérées avec une période comprise entre 100 millisecondes et 1 seconde, de préférence comprise entre 200 et 500 millisecondes, ce qui permet de réguler le procédé de la manière la plus stable possible, sans réagir de manière trop forte à une sollicitation subite de faible durée.
Notons que les mesures de température peuvent être réalisées par tout dispositif ou capteur, de préférence une sonde à résistance, par exemple du type PT100, ou bien une sonde de température à thermocouple ou à thermistance.
Avantageusement, les étapes de contrôle et/ou de régulation décrites dans la présente demande sont mises en œuvre par un système numérique de contrôle-commande, également appelé système « DCS » pour « Distributed Control System » en anglais, c’est-à-dire un système de contrôle d'un procédé industriel comprenant une interface homme-machine pour la supervision et un réseau de communication numérique. Le système DCS comprend plusieurs contrôleurs modulaires qui commandent les sous-systèmes ou unités de l'installation globale, typiquement un ensemble d’équipements comprenant au moins un microcontrôleur et configurés chacun pour assurer au moins : l’acquisition des données d’au moins un capteur de température, le contrôle d’au moins un actionneur relié à au moins un organe contrôleur de débit, la régulation et l’asservissement de paramètres boucles de régulation de type PID, la transmission de données entre les différents équipements du système.
Selon un mode de réalisation avantageux, la consigne de régulation précédemment décrite peut prendre en compte en parallèle d’autres informations en provenance du procédé afin d’optimiser encore plus les performances.
Plus précisément, on mesure également la température d’introduction du courant d’alimentation 110 et la température d’introduction du premier courant réfrigérant 30 dans le premier échangeur E1. On utilise en outre au moins une des mesures de températures de courant réfrigérant vaporisé réalisées aux sorties respectives 14, 15, 16.
On détermine deux écarts de température supplémentaires : un deuxième écart correspondant à la différence entre la température d’introduction du courant d’alimentation 110 et la température du courant réfrigérant vaporisé et un troisième écart correspondant à la différence entre la température d’introduction du premier courant réfrigérant 30 et la température de sortie du courant réfrigérant vaporisé.
En fonction de ces paramètres, on ajuste la consigne de débit appliquée à au moins un organe de détente V1, V2, V3 de façon à réduire le débit de courant réfrigérant partiel détendu par l’organe de détente lorsque le deuxième écart de température est supérieur à une deuxième valeur prédéterminée ou lorsque le troisième écart de température est supérieur à une troisième valeur prédéterminée.
Cela permet d’optimiser le débit de réfrigération, c’est-à-dire d’avoir en permanence le débit suffisant et nécessaire pour faire fonctionner le procédé à son point d’efficacité maximum.
En effet, plus l’écart de température entre fluide calorigène et fluide frigorigène est faible au bout chaud de l’échangeur, plus on maximise le transfert d’énergie disponible dans le fluide frigorigène vers le fluide calorigène, tout en évitant de consommer trop de débit de fluide frigorigène par rapport au besoin réel.
Notons que ce deuxième mode de régulation est opéré simultanément au premier mode précédemment décrit et que le premier mode est prioritaire sur le deuxième mode s’il devait donner lieu à des variations de débit contraires à celles résultant du premier mode.
Avantageusement, la deuxième valeur prédéterminée et/ou la troisième valeur prédéterminée est inférieure ou égale à 10°C, de préférence comprise entre 1 et 5°C, de préférence encore comprise entre 1 et 3°C, et avantageusement de l’ordre de 2°C. Ces valeurs offrent un bon compromis entre dimensionnement de la surface d’échange et énergie à fournir aux organes de compression. En effet plus l’écart de température est faible, plus la surface d’échange nécessaire est importante mais plus les débits circulant sont faibles, minimisant la puissance nécessaire fournie aux organes de compression.
De préférence, on mesure les deuxième et troisième écarts de température seulement à partir de la température mesurée à la sortie la plus proche du bout chaud 1a du premier échangeur E1 (16 sur ). Cela évite de trop complexifier l’installation car cette sortie est le plus accessible pour réaliser une mesure de température.
Selon une réalisation avantageuse, illustrée par , le procédé selon l’invention peut comprendre en outre au moins un cycle de réfrigération supplémentaire du courant d’alimentation 110 opéré en aval du cycle précédemment décrit.
Notons que de manière générale, les termes « aval » et « amont » se réfèrent au sens d’écoulement du fluide considéré, ici le courant 110.
Ce cycle est mis en œuvre dans un deuxième échangeur de chaleur E2, généralement appelé échangeur de liquéfaction, en aval du premier échangeur de chaleur E1, appelé alors échangeur de pré-refroidissement.
Le deuxième échangeur E2 peut aussi être un échangeur à plaques. Le courant d’hydrocarbures refroidi 102 entre dans le deuxième échangeur E2 avec un deuxième courant réfrigérant 202. Les courants circulent dans des passages dédiés selon des directions parallèles à la direction longitudinale z.
Avantageusement, les entrées des courants 102 et 202 sont situées au chaud 2a de l’échangeur E2, là où le niveau de température est le plus élevé de l’échangeur, de sorte que le courant d’hydrocarbures 102 et le courant réfrigérant mixte 202 s’écoule à co-courant dans le sens descendant, en direction du bout froid 2b situé à un niveau inférieur de l’échangeur.
De préférence, le courant d’hydrocarbures 102 est introduit à l’état gazeux le courant d’hydrocarbures est introduit à l’état gazeux ou partiellement liquéfié dans le deuxième échangeur E2 à une température comprise entre -80 et -35 °C. Notons que le courant 102 peut aussi être introduit au moins partiellement, voire totalement, liquéfié dans le deuxième échangeur E2, à une température qui peut être comprise entre -130 à -100 °C.
De préférence, le courant réfrigérant mixte 202 est introduit à une température comprise entre -120 et -160 °C et sort de l’échangeur E2 à une température inférieure comprise entre -140 et -170 °C.
A sa sortie de l'échangeur E2, le courant réfrigérant mixte 202 est détendu par un organe de détente, tel une turbine, une vanne ou une combinaison d'une turbine et d’une vanne, de façon à former un courant diphasique. Les phases liquide et gazeuse peuvent être séparées préalablement dans un séparateur 27 avant d’être recombinées et réintroduites à l’état de mélange liquide-gaz 203 dans l'échangeur E2.
Le deuxième courant réfrigérant diphasique 203 est réintroduit dans l’échangeur E2 par une entrée 41 située au bout froid 2b de façon à ce que le courant 203 s’écoule en sens ascendant. Le courant 203 est vaporisé en réfrigérant à contre-courant les courants 102 et 202.
Le courant réfrigérant vaporisé sort en 42 de l'échangeur E2 pour être comprimé par un compresseur K2 puis refroidi dans un échangeur de chaleur indirect par échange de chaleur avec un fluide extérieur de refroidissement, par exemple de l'eau ou de l'air.
Le deuxième courant réfrigérant 202 est formé par exemple par un mélange d'hydrocarbures et d'azote tels qu'un mélange de méthane, d'éthane et d'azote mais peut également contenir du propane et/ou du butane. Les proportions en fractions molaires (%) des composants du courant réfrigérant peuvent être:
Azote: 0 % à 10 %
Méthane: 30 % à 70 %
Ethane: 30 % à 70 %
Propane: 0 % à 10 %
Le gaz naturel sort totalement liquéfié 101 du deuxième échangeur E2 à une température de préférence supérieure d'au moins 10°C par rapport à la température de bulle du gaz naturel liquéfié produit à pression atmosphérique (la température de bulle désigne la température à laquelle les premières bulles de vapeur se forment dans un gaz naturel liquide à une pression donnée) et à une pression identique à la pression d'entrée du gaz naturel, aux pertes de charge près. Par exemple le gaz naturel sort du deuxième échangeur E2 à une température comprise entre -135 °C et -170 °C et à une pression comprise entre 15 et 85 bar. Dans ces conditions de température et de pression, le gaz naturel ne reste pas entièrement liquide après une détente jusqu'à la pression atmosphérique.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples particuliers décrits et illustrés dans la présente demande. D’autres variantes ou modes de réalisation à la portée de l’homme du métier peuvent aussi être envisagés sans sortir du cadre de l’invention. Par exemple d’autres configurations d’injection et de d’extraction des fluides de l’échangeur, d’autre sens et directions d’écoulement des fluides, d’autres types de fluides, d’autres types d’échangeurs… sont bien sûr envisageables, selon les contraintes imposées par le procédé à mettre en œuvre.

Claims (16)

  1. Procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures tel que le gaz naturel à partir d’un courant d’alimentation (110), ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
    1. introduction du courant d’alimentation (110) dans un premier échangeur de chaleur (E1),
    2. introduction d’un premier courant réfrigérant (30) dans l’échangeur de chaleur (E1),
    3. extraction de l’échangeur de chaleur (E1) de plusieurs courants réfrigérants partiels (301, 302, 303) issus du premier courant réfrigérant (30) par des sorties distinctes (11, 12, 13),
    4. introduction de chaque courant réfrigérant partiel (301, 302, 303) issus de l’étape c) dans un organe de détente (V1, V2, V3) et détente de chaque courant réfrigérant partiel (301, 302, 303) pour produire plusieurs courants réfrigérants diphasiques à des pressions différentes,
    5. introduction de chaque courant diphasique réfrigérant issu de l’étape d) dans un organe séparateur de phases (24, 25, 26) pour produire un courant réfrigérant gazeux (31, 32, 33) qui est détourné du premier échangeur (E1) et un courant réfrigérant liquide (34, 35, 36) qui est introduit dans le premier échangeur (E1) par des entrées respectives (4, 5, 6),
    6. vaporisation de chaque courant réfrigérant liquide (31, 32, 33) par échange de chaleur avec au moins le courant d’alimentation (110) et le premier courant réfrigérant (30) de façon à extraire un courant d’hydrocarbures refroidi (102) en sortie du premier échangeur de chaleur (E1) et à extraire plusieurs courants réfrigérants vaporisés par des sorties respectives (14, 15, 16) du premier échangeur de chaleur (E1), caractérisé en ce qu’il comprend en outre, pour chacun des courants réfrigérants vaporisés issus de l’étape f), les étapes suivantes :
    7. mesure de la température du courant réfrigérant vaporisé à sa sortie respective (14, 15, 16),
    8. détermination de la température de rosée du courant réfrigérant vaporisé,
    9. détermination d’un premier écart de température correspondant à la différence entre la température mesurée à l’étape g) et la température de rosée déterminée à l’étape h),
    10. ajustement d’une consigne de débit appliquée à l’organe de détente (V1, V2, V3) en fonction du premier écart de température déterminé à l’étape i) de façon à réduire le débit de courant réfrigérant partiel détendu à l’étape d) lorsque le premier écart de température est inférieur à une première valeur prédéterminée et à augmenter le débit de courant réfrigérant partiel détendu à l’étape d) lorsque le premier écart de température est supérieur à ladite première valeur prédéterminée.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première valeur prédéterminée est supérieure ou égale à 5 °C, de préférence inférieure à 15°C, de préférence encore comprise entre 8 et 12 °C.
  3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour chacun des courants réfrigérants vaporisés, la consigne de débit est appliquée via un organe contrôleur de débit couplé à l’organe de détente (V1, V2, V3) et asservi sur le premier écart de température déterminé à l’étape i).
  4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, préalablement à l’étape j), le débit de courant réfrigérant partiel présente une valeur de consigne et, à l’étape j), le débit de courant réfrigérant partiel est réduit ou augmenté de 5 à 20%, de préférence de 10 et 20% par rapport à la valeur de consigne.
  5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les étapes g) à j) sont réitérées à une période comprise entre 100 millisecondes et 1 seconde, de préférence comprise entre 200 et 500 millisecondes.
  6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant d’alimentation (110) est introduit par une première entrée (20) située à un bout chaud (1a) du premier échangeur (E1), ladite première entrée (20) présentant la température la plus élevée de l’échangeur, et au moins un des courants réfrigérants liquides (34, 35, 36) est introduit par une entrée respective (4) située à un bout froid (1b) du premier échangeur (E1), ladite entrée respective (4) présentant la température la plus basse de l’échangeur, les courants réfrigérants liquides (34, 35, 36) étant vaporisés dans le premier échangeur (E1) dans un sens ascendant et en direction du bout chaud (1a).
  7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend en outre les étapes suivantes :
    k) mesure des températures d’introduction du courant d’alimentation (110) et du premier courant réfrigérant (30) dans le premier échangeur (E1),
    l) mesure de la température d’au moins un courant réfrigérant vaporisé à sa sortie respective (14, 15, 16),
    m) détermination d’un deuxième écart de température correspondant à la différence entre la température d’introduction du courant d’alimentation (110) et la température du courant réfrigérant vaporisé et d’un troisième écart de température correspondant à la différence entre la température d’introduction du premier courant réfrigérant (30) et la température du courant réfrigérant vaporisé,
    n) ajustement de la consigne de débit appliquée à au moins un organe de détente (V1, V2, V3) en fonction du deuxième écart de température et du troisième écart de température déterminés à l’étape m) de façon à réduire le débit de courant réfrigérant partiel détendu à l’étape d) lorsque le deuxième écart de température est supérieur à une deuxième valeur prédéterminée ou le troisième écart de température est supérieur à une troisième valeur prédéterminée.
  8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la deuxième valeur prédéterminée et/ou la troisième valeur prédéterminée est inférieure ou égale à 10°C, de préférence comprise entre 1 et 5°C, de préférence encore comprise entre 1 et 3°C.
  9. Procédé selon l’une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu’à l’étape d), on produit au moins un premier courant diphasique réfrigérant ayant une première pression et un deuxième courant diphasique réfrigérant ayant une deuxième pression, la première pression étant supérieure à la deuxième pression, donnant lieu respectivement à un premier courant réfrigérant vaporisé sortant du premier échangeur (E1) par une première sortie respective (16) et à un deuxième courant réfrigérant vaporisé sortant du premier échangeur (E1) par une deuxième sortie respective (15), la première sortie étant la plus proche du bout chaud du premier échangeur (E1) et la mesure de température de l’étape l) étant réalisée uniquement sur le premier courant vaporisé sortant par la première sortie respective (16).
  10. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque courant réfrigérant gazeux (31, 32, 33) et chaque courant réfrigérant vaporisé issus d’un organe séparateur de phases (24, 25, 26) respectif sont recombinés au niveau de point de recombinaison puis introduit dans un organe élévateur de pression tel un compresseur.
  11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque courant réfrigérant gazeux (31, 32, 33) est introduit dans un organe séparateur supplémentaire agencé entre le point de recombinaison et l’organe séparateur de phase.
  12. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les courants réfrigérants diphasiques produits à l’étape d) présentent chacun un ratio gaz/liquide inférieur à 10%, de préférence compris entre 2 et 5% (% molaire), ledit ratio étant défini comme le rapport entre le débit molaire de phase liquide et le débit molaire de phase gazeuse de chaque courant réfrigérant diphasique.
  13. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier courant réfrigérant comprend un mélange d'hydrocarbures contenant plusieurs constituants choisis parmi : le méthane, d'éthane, l'azote, le propane, le butane, le pentane.
  14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le premier courant réfrigérant comprend entre 40 et 90% d’éthane et entre 10 et 60% de propane (% molaire).
  15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l’éthane est substitué en tout ou partie par de l’éthylène et/ou le propane est substitué en tout ou partie par du propylène.
  16. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend en outre les étapes suivantes :
    1. introduction du courant d’hydrocarbures refroidi (102) sortant du premier échangeur de chaleur (E1) dans un deuxième échangeur de chaleur (E2),
    2. introduction d’un deuxième courant réfrigérant (202) dans le deuxième échangeur de chaleur (E2), ledit deuxième courant réfrigérant (202) ayant de préférence circulé au préalable dans le premier échangeur de chaleur (E1),
    3. sortie du deuxième courant réfrigérant mixte (202) introduit à l’étape b) et détente dudit deuxième courant réfrigérant mixte (202) de sorte à produire un deuxième courant réfrigérant diphasique (203),
    4. réintroduction du deuxième courant réfrigérant diphasique (203) issu de l’étape iii) dans le deuxième échangeur de chaleur (E2), et
    5. liquéfaction du courant d’hydrocarbures refroidi (102) par échange de chaleur avec au moins le deuxième courant réfrigérant diphasique (203) réintroduit à l’étape iv) de façon à obtenir un courant d’hydrocarbures au moins partiellement liquéfié (101).
FR1908841A 2019-08-01 2019-08-01 Procédé de liquéfaction de gaz naturel avec injection améliorée d’un courant réfrigérant mixte Active FR3099560B1 (fr)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1908841A FR3099560B1 (fr) 2019-08-01 2019-08-01 Procédé de liquéfaction de gaz naturel avec injection améliorée d’un courant réfrigérant mixte
AU2020320135A AU2020320135A1 (en) 2019-08-01 2020-07-20 Method for liquefying natural gas with improved injection of a mixed refrigerant stream
US17/632,112 US20220316795A1 (en) 2019-08-01 2020-07-20 Method for liquefying natural gas with improved injection of a mixed refrigerant stream
PCT/FR2020/051309 WO2021019149A1 (fr) 2019-08-01 2020-07-20 Procede de liquefaction de gaz naturel avec injection amelioree d'un courant refrigerant mixte

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1908841A FR3099560B1 (fr) 2019-08-01 2019-08-01 Procédé de liquéfaction de gaz naturel avec injection améliorée d’un courant réfrigérant mixte
FR1908841 2019-08-01

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FR3099560A1 true FR3099560A1 (fr) 2021-02-05
FR3099560B1 FR3099560B1 (fr) 2021-07-02

Family

ID=68654717

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FR1908841A Active FR3099560B1 (fr) 2019-08-01 2019-08-01 Procédé de liquéfaction de gaz naturel avec injection améliorée d’un courant réfrigérant mixte

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20220316795A1 (fr)
AU (1) AU2020320135A1 (fr)
FR (1) FR3099560B1 (fr)
WO (1) WO2021019149A1 (fr)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2563620A1 (fr) 1984-04-27 1985-10-31 Linde Ag Echangeur de chaleur du type a plaques
US5199266A (en) * 1991-02-21 1993-04-06 Ugland Engineering A/S Unprocessed petroleum gas transport
US20070227185A1 (en) * 2004-06-23 2007-10-04 Stone John B Mixed Refrigerant Liquefaction Process
WO2017081374A1 (fr) 2015-11-10 2017-05-18 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Méthode pour optimiser la liquéfaction de gaz naturel
WO2018172644A1 (fr) 2017-03-24 2018-09-27 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Echangeur de chaleur avec dispositif melangeur liquide/gaz a portion de canal regulatrice

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11428463B2 (en) * 2013-03-15 2022-08-30 Chart Energy & Chemicals, Inc. Mixed refrigerant system and method
EP2957620A1 (fr) * 2014-06-17 2015-12-23 Shell International Research Maatschappij B.V. Procédé et système pour produire un mélange pressurisé et au moins partiellement condensé d'hydrocarbures
US10393429B2 (en) * 2016-04-06 2019-08-27 Air Products And Chemicals, Inc. Method of operating natural gas liquefaction facility

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2563620A1 (fr) 1984-04-27 1985-10-31 Linde Ag Echangeur de chaleur du type a plaques
US5199266A (en) * 1991-02-21 1993-04-06 Ugland Engineering A/S Unprocessed petroleum gas transport
US20070227185A1 (en) * 2004-06-23 2007-10-04 Stone John B Mixed Refrigerant Liquefaction Process
WO2017081374A1 (fr) 2015-11-10 2017-05-18 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Méthode pour optimiser la liquéfaction de gaz naturel
WO2018172644A1 (fr) 2017-03-24 2018-09-27 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Echangeur de chaleur avec dispositif melangeur liquide/gaz a portion de canal regulatrice

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JOHN B STONE ET AL: "LNG PROCESS SELECTION CONSIDERATIONS FOR FUTURE DEVELOPMENTS", INTERNATIONAL CONFERENCE AND EXHIBITION ON LIQUEFIED NATURAL GAS (LNG),, vol. 16th, 18 April 2010 (2010-04-18), pages Poster - PO1, XP009144846 *

Also Published As

Publication number Publication date
FR3099560B1 (fr) 2021-07-02
WO2021019149A1 (fr) 2021-02-04
AU2020320135A1 (en) 2022-02-24
US20220316795A1 (en) 2022-10-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0644996B1 (fr) Procede et installation de refroidissement d'un gaz, notamment pour la liquefaction de gaz naturel
EP1352203B1 (fr) Procede de refrigeration de gaz liquefie et installation mettant en oeuvre celui-ci
EP0687353B1 (fr) Procede et appareil de liquefaction d'un gaz naturel
EP0818661B1 (fr) Procédé et installation perfectionnés de refroidissement, en particulier pour la liquéfaction de gaz naturel
EP0125980B1 (fr) Procédé et appareil de refroidissement et liquéfaction d'au moins un gaz à bas point d'ébullition, tel que par exemple du gaz naturel
FR2611386A1 (fr) Procede perfectionne pour liquefier un flux d'alimentation en gaz naturel, en utilisant un ou deux refrigerants en circuit ferme a plusieurs composants
CA2194089C (fr) Procede et dispositif de liquefaction en deux etapes d'un melange gazeux, tel qu'un gaz naturel
FR2675888A1 (fr) Procede a l'utilisation du gaz naturel liquefie (gnl) associe a un expanseur a froid pour produire de l'azote liquide.
FR2993643A1 (fr) Procede de liquefaction de gaz naturel avec changement de phase
EP1118827B1 (fr) Procédé de liquéfaction partielle d'un fluide contenant des hydrocarbures tel que du gaz naturel
EP0768502A1 (fr) Procédé et dispositif de liquéfaction et de traitement d'un gaz naturel
FR2886719A1 (fr) Procede de refrigeration d'une charge thermique
WO2017081374A1 (fr) Méthode pour optimiser la liquéfaction de gaz naturel
FR3099205A1 (fr) Procédé de production d’énergie électrique utilisant plusieurs cycles de Rankine combinés
FR3099560A1 (fr) Procédé de liquéfaction de gaz naturel avec injection améliorée d’un courant réfrigérant mixte
FR3099234A1 (fr) Procédé de récupération d’énergie frigorifique avec production d’électricité ou liquéfaction d’un courant gazeux
WO2021019160A1 (fr) Échangeur de chaleur avec configuration de passages et structures d'échange thermique ameliorées et procédé de refroidissement en utilisant au moins un tel échangeur
FR2944096A1 (fr) Procede et systeme frigorifique pour la recuperation de la froideur du methane par des fluides frigorigenes.
WO2021032916A1 (fr) Procédé de liquéfaction de gaz naturel avec configuration d'échangeur améliorée
WO2017134353A1 (fr) Introduction optimisée d'un courant réfrigérant mixte diphasique dans un procédé de liquéfaction de gaz naturel
WO2017081375A1 (fr) Procédé de liquéfaction de gaz naturel à l'aide d'un circuit de réfrigération en cycle fermé
FR3117536A1 (fr) Procédé et installation de production d’énergie électrique à partir d’un courant d’hydrocarbures avec contrôle de la pression basse du fluide de travail
FR2858830A1 (fr) Procede pour augmenter la capacite et l'efficacite d'installations gazieres du type comprenant une turbine a gaz
FR3099557A1 (fr) Procédé de liquéfaction de gaz naturel avec circulation améliorée d’un courant réfrigérant mixte
EP4348137A1 (fr) Dispositif et procede de pre-refroidissement d'un flux d'un fluide cible a une temperature inferieure ou egale a 90 k

Legal Events

Date Code Title Description
PLFP Fee payment

Year of fee payment: 2

PLSC Publication of the preliminary search report

Effective date: 20210205

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 3

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 4

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 5