FR3116326A1 - Procédé de production de gaz naturel liquéfié à partir de gaz naturel, et installation correspondante - Google Patents
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- F25J2220/60—Separating impurities from natural gas, e.g. mercury, cyclic hydrocarbons
- F25J2220/62—Separating low boiling components, e.g. He, H2, N2, Air
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- 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
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- F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
- F25J2245/90—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being boil-off gas from storage
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F25J2270/00—Refrigeration techniques used
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Abstract
Procédé de production de gaz naturel liquéfié à partir de gaz naturel , et installation correspondante Procédé de production de GNL (12) à partir de gaz naturel (14), comprenant les étapes suivantes : - liquéfaction d’au moins une première partie (19) du gaz naturel (14) dans un premier échangeur de chaleur (18) par échange de chaleur avec un premier fluide frigorifique (44) mixte en cycle fermé (42), - sous-refroidissement du gaz naturel liquéfié (22) dans un deuxième échangeur de chaleur (20) par échange de chaleur avec un deuxième fluide frigorifique (62) d’un deuxième cycle frigorifique (60), - détente du courant de gaz naturel liquéfié sous-refroidi (26) et admission dans un séparateur de gaz de flash (32), - prélèvement du gaz naturel liquéfié en pied du séparateur, et prélèvement, en tête, d’un flux gazeux (34), et alimentation du deuxième cycle frigorifique (60) par au moins une partie dudit flux gazeux. Figure pour l'abrégé : Figure 1
Description
La présente invention concerne un procédé de production de gaz naturel liquéfié (ou GNL) à partir de gaz naturel.
L’invention concerne également une installation correspondante.
Le gaz naturel se situe le plus souvent dans des zones géographiques éloignées des zones de consommation. Ce gaz naturel est donc liquéfié pour réduire son volume d’un facteur 600 environ, et est chargé dans des méthaniers pour être acheminé par voie maritime vers les foyers de consommation.
Pour de grandes installations de liquéfaction situées à terre, il est connu d’utiliser un procédé en cascade, mettant en œuvre trois cycles frigorifiques distincts imbriqués, respectivement à base de propane, d’éthylène et de méthane. De telles installations présentent une faible consommation énergétique, mais ont une grande emprise au sol.
Un autre procédé connu consiste à utiliser un cycle frigorifique mettant en œuvre un ou plusieurs réfrigérants dit « mixtes » ou « mélangés » (en anglais «mixed refrigerant» ou « MR »), car constitués d’un mélange de plusieurs hydrocarbures légers (notamment méthane, éthane, propane, butane, ou pentane) et d’azote. Ceci améliore la compacité de l’installation, tout en gardant un bon rendement énergétique, voire en améliorant ce dernier. Dans une unité industrielle, le nombre de cycles utilisant un réfrigérant mixte peut aller de un à trois. Le rendement énergétique est amélioré quand le nombre de cycle augmente.
Le procédé le plus employé actuellement dans les installations de production de GNL est le procédé « C3/MR », mettant en œuvre un cycle frigorifique au propane (C3) et un cycle à réfrigérant mixte (MR). Toutefois, ce procédé nécessite un grand nombre d’équipements et conserve donc une empreinte au sol relativement importante.
Il existe des procédés à un seul cycle frigorifique à réfrigérant mixte (en anglaisSingle Mixed Refrigerantou « SMR »), nécessitant moins d’équipements que les deux types de procédé précité mais au détriment du rendement énergétique. De plus l’échangeur principal de liquéfaction (en anglaisMain Cryogenic Heat Exchangerou « MCHE ») est très grand (plus de 50m de haut) et implique des coûts de construction supplémentaires.
Il serait souhaitable, en particulier pour des installations de petite capacité, ayant une production annuelle inférieure à 1,5 million de tonnes par an (MTPA) de GNL, de réduire l’emprise totale (hauteur et sol), sans impacter la performance énergétique ou la sécurité.
Un but de l’invention est donc de proposer un procédé capable de réduire l’emprise de l’installation de production, notamment en hauteur en comparaison avec le procédé « SMR ».
A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de production de gaz naturel liquéfié à partir de gaz naturel, comprenant les étapes suivantes :
- refroidissement d’au moins une première partie du gaz naturel dans un premier échangeur de chaleur par échange de chaleur avec un premier fluide frigorifique et obtention d’un premier courant de gaz naturel liquéfié, le premier fluide frigorifique étant un réfrigérant mixte,
- circulation du premier fluide frigorifique dans un premier cycle frigorifique fermé,
- sous-refroidissement du premier courant de gaz naturel liquéfié dans un deuxième échangeur de chaleur par échange de chaleur avec un deuxième fluide frigorifique distinct du premier fluide frigorifique, et obtention d’un deuxième courant de gaz naturel liquéfié sous-refroidi,
- détente du deuxième courant de gaz naturel liquéfié sous-refroidi pour former un troisième courant de gaz naturel liquéfié, et amenée du troisième courant de gaz naturel liquéfié dans un séparateur de gaz de flash,
- prélèvement, en pied du séparateur de gaz de flash, dudit gaz naturel liquéfié produit,
- circulation du deuxième fluide frigorifique dans un deuxième cycle frigorifique, ladite circulation comprenant au moins : un refroidissement du deuxième fluide frigorifique au moins dans le premier échangeur de chaleur par échange de chaleur avec le premier fluide frigorifique pour obtenir un courant de deuxième fluide frigorifique refroidi; une détente d’au moins une partie du courant de deuxième fluide frigorifique refroidi; une obtention d’un courant de deuxième fluide frigorifique refroidi et détendu; et une admission du courant de deuxième fluide frigorifique refroidi et détendu, dans le deuxième échangeur de chaleur, pour refroidir le premier courant de gaz naturel liquéfié, et
- prélèvement, en tête du séparateur de gaz de flash, d’un flux gazeux, et alimentation du deuxième cycle frigorifique par au moins une partie dudit flux gazeux.
Grâce à la dissociation, thermodynamiquement parlant, des étapes de liquéfaction et de sous-refroidissement du gaz naturel, les dimensions du premier échangeur de chaleur, réalisant la liquéfaction, sont réduites. Cette dissociation permet aussi plus de flexibilité au niveau de l’installation, grâce au deuxième échangeur dédié à l’étape de sous-refroidissement.
Le fait de réduire les dimensions du premier échangeur permet de réduire notamment la hauteur des installations modulaires utilisées pour contenir tous les équipements nécessaires à l’unité de production de GNL, ce qui réduit le volume et la masse des structures associées, le temps de fabrication et les contraintes de transport vers le site de production du GNL.
Le procédé selon l’invention réduit les dimensions globales de l’unité de liquéfaction, sans réduire la performance ou la sécurité de l’installation. Cette amélioration apporte un gain très intéressant, notamment lorsque la construction de l’installation est réalisée de manière modulaire, en mer ou à terre.
Le procédé est parfaitement adapté aux unités flottantes de production, de stockage et de déchargement de GNL (en anglaisFloating Production Storage and Offloadingou FPSO ou FLNG), aux unités fixes en mer (plateformes off-shore, barges échouées, …) et aux installations modulaires à terre.
Le procédé s’applique avantageusement aussi à la modification d’installations existantes pour augmenter la production avec une emprunte au sol réduite.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le procédé selon l’invention comprend l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- une dérivation d’une première partie du deuxième fluide frigorifique hors du deuxième cycle frigorifique pour produire un gaz combustible ;
- un refroidissement d’une deuxième partie du gaz naturel dans un troisième échangeur de chaleur par échange de chaleur avec le deuxième fluide frigorifique (62) et avec le flux gazeux prélevé en tête du séparateur de gaz de flash, et obtention d’un quatrième courant de gaz naturel liquéfié ; une détente du quatrième courant de gaz naturel liquéfié ; et une admission du quatrième courant de gaz naturel liquéfié et détendu dans le séparateur de gaz de flash ;
- une dérivation d’une deuxième partie du deuxième fluide frigorifique hors du deuxième cycle frigorifique ; un refroidissement de la deuxième partie du deuxième fluide frigorifique dans un ou le troisième échangeur de chaleur par échange de chaleur avec le flux gazeux prélevé en tête du séparateur de gaz de flash et avec un flux gazeux de deuxième fluide frigorifique en provenance du deuxième échangeur de chaleur, et obtention d’un deuxième courant de deuxième liquide frigorifique refroidi ; une détente du deuxième courant de deuxième liquide frigorifique refroidi pour obtenir un deuxième courant de deuxième liquide frigorifique refroidi et détendu ; et une admission du deuxième courant de deuxième liquide frigorifique refroidi et détendu, dans le deuxième échangeur de chaleur, pour refroidir le premier courant de gaz naturel liquéfié ;
- ladite détente du courant de deuxième fluide frigorifique refroidi est réalisée au moins en partie dans une vanne de détente ;
- le courant de deuxième fluide frigorifique refroidi est gazeux en sortie du premier échangeur de chaleur ; ladite détente du courant de deuxième fluide frigorifique refroidi est réalisée au moins en partie dans une turbine ; et ladite circulation du deuxième fluide frigorifique dans le deuxième cycle frigorifique comprend au moins une compression du deuxième fluide frigorifique réalisée par au moins un compresseur mécaniquement couplé à ladite turbine ;
- ledit refroidissement du deuxième fluide frigorifique comprend en outre un passage du deuxième fluide frigorifique dans le deuxième échangeur de chaleur préalablement à ladite détente du courant de deuxième fluide frigorifique refroidi ;
- au moins une autre partie du courant de deuxième fluide frigorifique refroidi est détendue et admise dans le séparateur de gaz de flash ; et
- une admission du gaz naturel liquéfié dans un stockage ; un prélèvement d’un gaz d’évaporation dans le stockage ; et une alimentation du deuxième cycle frigorifique par au moins une partie du gaz d’évaporation.
L’invention a également pour objet une installation de production de gaz naturel liquéfié à partir de gaz naturel, comprenant:
- un premier échangeur de chaleur adapté pour refroidir au moins une première partie du gaz naturel par échange de chaleur avec un premier fluide frigorifique et obtenir un premier courant de gaz naturel liquéfié, le premier fluide frigorifique étant un réfrigérant mixte,
- un premier cycle frigorifique fermé adapté pour faire circuler le premier fluide frigorifique,
- un deuxième échangeur de chaleur adapté pour sous-refroidir le premier courant de gaz naturel liquéfié par échange de chaleur avec un deuxième fluide frigorifique distinct du premier fluide frigorifique, et obtenir un deuxième courant de gaz naturel liquéfié sous-refroidi,
- un organe de détente adapté pour détendre le deuxième courant de gaz naturel liquéfié sous-refroidi et former un troisième courant de gaz naturel liquéfié,
- un séparateur de gaz de flash adapté pour recevoir le troisième courant de gaz naturel liquéfié,
- un système de prélèvement, en pied du séparateur de gaz de flash, adapté pour prélever ledit gaz naturel liquéfié produit,
- un deuxième cycle frigorifique adapté pour faire circuler le deuxième fluide frigorifique, et pour : refroidir le deuxième fluide frigorifique au moins dans le premier échangeur de chaleur par échange de chaleur avec le premier fluide frigorifique et obtenir un courant de deuxième fluide frigorifique refroidi; détendre au moins une partie du courant de deuxième fluide frigorifique refroidi; obtenir un courant de deuxième fluide frigorifique refroidi et détendu; et admettre le courant de deuxième fluide frigorifique refroidi et détendu, dans le deuxième échangeur de chaleur, pour refroidir le premier courant de gaz naturel liquéfié ; et
- un système de prélèvement, en tête du séparateur de gaz de flash, adapté pour prélever un flux gazeux, et pour alimenter le deuxième cycle frigorifique par au moins une partie dudit flux gazeux.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :
Dans tout ce qui suit, on désignera par les mêmes références un courant circulant dans une conduite et la conduite qui le transporte. Les termes « amont » et « aval » s’étendent généralement par rapport au sens normal de circulation d’un fluide.
En outre, sauf indication contraire, les pourcentages cités sont des pourcentages molaires, et les pressions sont données en bars absolus.
Les courants dont la température est supérieure à la température ambiante sont décrits comme étant refroidis par des aéroréfrigérants. En variante, il est possible d’utiliser des échangeurs à eau, par exemple à eau douce ou à eau de mer.
Dans les calculs de simulation ci-après, par exemple réalisés à l’aide du logiciel HYSYS, la température de l’air ou de l’eau de réfrigération est de 15°C.
La température ambiante régnant autour de l’installation n’est pas significative au titre de l’invention et peut être comprise notamment entre 15°C et 35°C.
On considèrera ci-après que tous les compresseurs ont un rendement polytropique de 82% et toutes les turbines un rendement adiabatique de 86%.
En référence à la , on décrit une installation 10 selon l’invention, adaptée pour produire du gaz naturel liquéfié 12 à partir de gaz naturel 14. Dans l’exemple, l’installation 10 produit aussi un gaz combustible 16 destiné par exemple à alimenter des turbines à gaz de l’installation, ou d’autres équipements.
Sur la , les flux en traits épais concernent le gaz naturel destiné à la liquéfaction, tandis que les traits plus fins concernent les flux de fluides frigorifiques.
Dans l’exemple, le gaz naturel 14 est un gaz prétraité, dépourvu de composés propres à se solidifier lors de la liquéfaction dans l’installation 10. Un tel prétraitement est connu en soi et ne sera pas décrit en détail ; il peut notamment comporter le fait de retirer de l’eau, du dioxyde de carbone et des composés soufrés du gaz naturel brut.
Selon une variante non représentée, le gaz naturel 14 n’est pas prétraité. L’installation 10 intègre alors des équipements (non représentés), tels que des lits d’alumine ou de tamis moléculaires, pour réaliser ce prétraitement et fournir le gaz naturel 14.
Le gaz naturel 14 est principalement constitué de méthane, et a par exemple la composition molaire suivante :
- méthane : 92,0%,
- éthane : 5,00%,
- propane : 2,20%,
- azote : 0,80%,
- i-C4, n-C4, i-C5 : 0,00%.
L’installation 10 comprend un premier échangeur de chaleur 18 destiné à liquéfier au moins une première partie 19 du gaz naturel 14 et produire un premier courant de gaz naturel liquéfié 22, et un deuxième échangeur de chaleur 20 destiné à sous-refroidir le premier courant de gaz naturel liquéfié et à produire un deuxième courant de gaz naturel liquéfié sous-refroidi 26. L’installation 10 comprend aussi un organe de détente 28 (vanne ou turbine de détente dynamique) pour produire un troisième courant de gaz naturel liquéfié sous-refroidi et détendu 30, et un séparateur de gaz de flash 32, ici un ballon, pour recevoir le troisième courant de gaz naturel liquéfié sous-refroidi et détendu et pour le séparer en un flux gazeux 34 et le gaz naturel liquéfié 12.
Par « sous-refroidir », on entend le fait de refroidir à une température strictement inférieure à la température de liquéfaction.
L’installation 10 comprend avantageusement un troisième échangeur de chaleur 36 pour refroidir, liquéfier et sous-refroidir une deuxième partie 38 du gaz naturel 14 et obtenir un quatrième courant de gaz naturel liquéfié 39, et un organe de détente 40 pour détendre le quatrième courant de gaz naturel liquéfié.
Le premier échangeur de chaleur 18 est refroidi par un premier cycle frigorifique 42 adapté pour faire circuler un premier fluide frigorifique 44 à contre-courant de la première partie 20 du gaz naturel 14.
Le premier cycle frigorifique 42 est fermé, c’est-à-dire qu’il n’échange pas de matière avec l’extérieur en fonctionnement normal. En revanche, il peut échanger de la matière avec l’extérieur lorsqu’on le remplit ou qu’on le purge, totalement ou partiellement. Le premier cycle frigorifique 42 comprend par exemple trois boucles 46A, 46B, 46C passant dans le premier échangeur de chaleur 18.
Le premier fluide frigorifique 44 est un réfrigérant mixte. Par exemple, le premier fluide frigorifique 44 comprend de l’azote, du méthane, de l’éthane et/ou de l’éthylène, du propane, du butane et du pentane.
Par exemple, le premier fluide frigorifique 44 possède la composition molaire suivante :
- méthane : 26,27%,
- éthane : 39,22%,
- propane : 19,41%,
- azote : 0,00%,
- i-C4, n-C4 : 0,00%,
- i-C5 : 15,10%.
Le premier cycle frigorifique 42 comprend par exemple deux compresseurs 48A, 48B, deux refroidisseurs 50A, 50B, deux ballons séparateurs 52A, 52B, trois vannes de détente 54A, 54B, 54C et deux plateaux distributeurs 56, 58 situés dans le premier échangeur de chaleur 18.
Les refroidisseurs 50A, 50B sont par exemple des échangeurs aéroréfrigérants ou à eau, adaptés pour refroidir les flux concernés à une température voisine de la température ambiante de l’air ou de la température de l’eau.
Les compresseurs 48A, 48B peuvent être intégrés dans une même machine avec un seul moteur (ou une turbine à gaz).
La première boucle 46A passe successivement par le compresseur 48A, le refroidisseur 50A, le bas du ballon séparateur 52A, la vanne de détente 54A et le plateau distributeur 56.
La deuxième boucle 46B passe successivement par le compresseur 48A, le refroidisseur 50A, le haut du ballon séparateur 52A, le compresseur 48B, le refroidisseur 50B, le bas du ballon séparateur 52B, la vanne de détente 54B et le plateau distributeur 56.
La troisième boucle 46C passe successivement par le compresseur 48A, le refroidisseur 50A, le haut du ballon séparateur 52A, le compresseur 48B, le refroidisseur 50B, le haut du ballon séparateur 52B, la vanne de détente 54C et le plateau distributeur 58.
Le deuxième échangeur de chaleur 20 est refroidi par un deuxième cycle frigorifique 60 adapté pour faire circuler un deuxième fluide frigorifique 62 à contre-courant du premier courant de gaz naturel liquéfié 22.
Dans l’exemple représenté, le troisième échangeur de chaleur 36 est également refroidi par le deuxième cycle frigorifique 60, et avantageusement par le flux gazeux 34 en provenance du séparateur de gaz de flash 32.
Le deuxième cycle frigorifique 60 est avantageusement semi-ouvert. Le deuxième cycle frigorifique 60 comprend dans l’exemple une seule boucle 64. Le deuxième cycle frigorifique 42 est adapté pour être alimenté par le flux gazeux 34 en provenance d’un système de prélèvement 66 situé en tête du séparateur de gaz de flash 32. Dans l’exemple représenté, une dérivation 68 permet de produire le gaz combustible 16 à partir du deuxième fluide frigorifique circulant dans la boucle 64.
Toujours dans l’exemple représenté, la boucle 64 passe successivement par un compresseur 70, un refroidisseur 72, le premier échangeur de chaleur 18, une vanne de détente 74, le deuxième échangeur de chaleur 20, et le troisième échangeur de chaleur 36.
Le deuxième fluide frigorifique 62 est de composition distincte du premier fluide frigorifique 44. En principe, le deuxième fluide frigorifique 62 possède la composition du flux gazeux 34, c’est-à-dire celle du gaz de flash issu de la liquéfaction du gaz naturel.
Un système de prélèvement 76, situé en pied du séparateur de gaz de flash 32, est conçu pour fournir le gaz naturel liquéfié 12 produit par l’installation 10.
Un premier procédé selon l’invention, mis en œuvre dans l’installation 10, va maintenant être décrit.
Le gaz naturel 14 est par exemple à une température d’environ 25°C, et à une pression supérieure à 30 bar, par exemple environ 70 bar. Le débit du gaz naturel 14 est par exemple de 3015 kmoles/heure, soit 54205 kg/heure pour la composition précisée ci-dessus.
Dans l’exemple représenté, le gaz naturel 14 prétraité est divisé entre la première partie 19 et la deuxième partie 38.
La première partie 19 est refroidie et condensée dans le premier échangeur de chaleur 18, par exemple à -126°C, pour former le premier courant de gaz naturel liquéfié 22. Le premier courant de gaz naturel liquéfié 22 est sous-refroidi dans le deuxième échangeur de chaleur 20, par exemple à -150°C, pour former le deuxième courant de gaz naturel liquéfié sous-refroidi 26. Le deuxième courant de gaz naturel liquéfié sous-refroidi 26 est détendu dans un organe de détente 28, par exemple à 1,25 bar, pour former le troisième courant de gaz naturel liquéfié sous-refroidi et détendu 30.
Le troisième courant de gaz naturel liquéfié sous-refroidi et détendu 30 est admis dans le séparateur de gaz de flash 32. Le gaz naturel liquéfié 12 est prélevé en pied du séparateur de gaz de flash 32 via le système de prélèvement 76, par exemple avec un débit de production de 49588 kg/heure.
Le premier fluide frigorifique 44 circule dans les boucles 46A, 46B, 46C du premier cycle frigorifique 42. Sa composition peut changer au gré des fractionnements qui ont lieu dans les ballons séparateurs 52A, 52B.
Plus précisément, un courant 78 du premier fluide frigorifique 44 est récupéré en pied du premier échangeur de chaleur 18, par exemple à 2,85 bar et 23°C. Le courant 78 est comprimé par le compresseur 48A, par exemple à 20 bar, puis refroidi et partiellement condensé dans le refroidisseur 50A, par exemple à 25°C, et admis dans le ballon séparateur 52A, d’où sont extraites une fraction liquide 80 et une fraction gazeuse 82.
La fraction liquide 80 passe à co-courant (par rapport à la première partie 19 du gaz naturel à liquéfier) dans le premier échangeur de chaleur 18 pour être sous-refroidie, puis est détendue dans la vanne de détente 54A pour former un flux 84. Le flux 84 est admis dans le premier échangeur de chaleur 18 à contre-courant, via le distributeur 56.
La fraction gazeuse 82 est comprimée par le compresseur 48B, par exemple à 40 bar, puis refroidie et partiellement condensée dans le refroidisseur 50B, par exemple à 25°C, et admise dans le ballon séparateur 52B, d’où sont extraites une fraction liquide 86 et une fraction gazeuse 88.
La fraction liquide 86 passe à co-courant dans le premier échangeur de chaleur 18 pour être sous-refroidie, puis est détendue dans la vanne de détente 54B pour former un flux 90. Le flux 90 est admis dans le premier échangeur de chaleur 18 à contre-courant, par exemple via le distributeur 56. Avantageusement, le flux 90 est sensiblement à la même pression que le flux 84. Selon un mode particulier de réalisation, le flux 90 et le flux 84 sont ajoutés l’un à l’autre avant leur admission dans le premier échangeur de chaleur 18.
La fraction gazeuse 88 passe à co-courant dans le premier échangeur de chaleur 18 pour être liquéfiée et sous-refroidie, puis est détendue dans la vanne de détente 54C pour former un flux 92. Le flux 92 est admis dans le premier échangeur de chaleur 18 à contre-courant, via le distributeur 58.
Les flux 84, 90, 92 majoritairement liquides sont mélangés et vaporisés dans le premier échangeur de chaleur 18, puis récupérés, environ à la température ambiante, pour former le courant 78. Le débit du courant 78 est par exemple de 5115 kmol/h.
La puissance consommée par les compresseurs 48A, 48B est par exemple de 11669 kW.
Le flux gazeux 34 est prélevé en tête du séparateur de gaz de flash 32 via le système de prélèvement 66, par exemple à un débit de 4617 kg/heure. Le flux gazeux 34 prélevé est avantageusement réchauffé dans le troisième échangeur de chaleur 36, par exemple à contre-courant de la deuxième partie 38 du gaz naturel 14, pour former un flux réchauffé 94 qui est admis, c’est-à-dire recyclé, dans la boucle 64 du deuxième cycle frigorifique 60.
Le flux réchauffé 94 se fonde dans un flux 96 qui est comprimé dans le compresseur 70, puis refroidi dans le refroidisseur 72. Une partie 98 du flux 96 emprunte la dérivation 68 pour former le gaz combustible 16. Une autre partie 100 continue d’emprunter la boucle 64 et forme le deuxième fluide frigorifique 62.
La partie 100 est refroidie et liquéfiée dans le premier échangeur de chaleur 18, par exemple à co-courant de la partie 19 du gaz naturel 14, pour former un courant de deuxième fluide frigorifique refroidi 102.
Le courant de deuxième fluide frigorifique refroidi 102 est détendu dans la vanne de détente 74 pour former un courant de deuxième fluide frigorifique refroidi et détendu 104, par exemple à 2,7 bar et -152°C.
Le courant de deuxième fluide frigorifique refroidi et détendu 104 est admis dans le deuxième échangeur de chaleur 20, par exemple à contre-courant du premier courant de gaz naturel liquéfié 22, et se vaporise en sous-refroidissant le premier courant de gaz naturel liquéfié. Un flux gazeux 106 du deuxième fluide frigorifique est récupéré en sortie du deuxième échangeur de chaleur 20 et envoyé dans le troisième échangeur de chaleur 36, par exemple à co-courant du flux gazeux 34, pour former un flux gazeux réchauffé 108.
Le flux gazeux réchauffé 108 et le flux réchauffé 94 s’ajoutent l’un à l’autre pour former le flux 96.
La deuxième partie 38 du gaz naturel 14 est refroidie dans le troisième échangeur de chaleur 36 pour obtenir le quatrième courant de gaz naturel liquéfié 39, ce qui réchauffe les flux gazeux 34 et 106. Le quatrième courant de gaz naturel liquéfié 39 est détendu dans la vanne de détente 40, par exemple à 1,25 bar, pour produire un courant 110 qui est admis dans le séparateur de gaz de flash 32.
La consommation énergétique du procédé est par exemple la suivante :
- compresseur 70 : 2,8 MW
- compresseur 48A : 9,7 MW
- compresseur 48B : 1,9 MW
- total : 14,4 MW
Grâce aux caractéristiques décrites ci-dessus, le procédé est capable de réduire l’emprise de l’installation 10, notamment en comparaison avec le procédé « SMR », avec un gain de 10 à 15 mètres en hauteur. Les dimensions du premier échangeur de chaleur 18 sont notablement réduites. Grâce au deuxième échangeur de chaleur 20 dédié à l’étape de sous-refroidissement, l’installation 10 est également plus flexible, la composition du réfrigérant 42 sera mieux optimisée grâce à la différence de température réduite effectuée au sein de l’échangeur 18. Le procédé réduit les dimensions globales de l’installation 10, sans réduire la performance ou la sécurité.
La réduction des dimensions du premier échangeur de chaleur 18 permet de diminuer notamment la hauteur des installations modulaires utilisées pour contenir tous les équipements nécessaires à l’unité de production de GNL.
En référence à la , on décrit une installation 120 constituant une variante de l’installation 10. L’installation 120 est analogue à l’installation 10 représentée sur la . Les éléments identiques portent les mêmes références numériques et ne seront pas décrits à nouveau. Seules les différences sont décrites en détail ci-après.
Dans l’installation 120, le gaz naturel 14 n’est pas divisé en une première partie 19 et une deuxième partie 38. Tout le gaz naturel 14 est envoyé au premier échangeur de chaleur 18 pour être liquéfié.
Le deuxième cycle frigorifique 60 comprend une deuxième dérivation 122 permettant d’extraire de la boucle 64 une deuxième partie 124 du deuxième fluide frigorifique.
La deuxième dérivation 122 est par exemple située en aval du refroidisseur 72 et en amont de la dérivation 68. En variante (non représentée), la deuxième dérivation 122 se situe en aval de la première dérivation 68.
Dans l’exemple représenté, le flux 96 circulant dans la boucle 64 est divisé entre la deuxième partie 124 et un flux 126, dont est extrait le flux 98 formant le gaz combustible 16. La partie restante 100 continue d’emprunter la boucle 64.
La deuxième partie 124 est refroidie dans le troisième échangeur de chaleur 36, par exemple à contre-courant des flux gazeux 34 et 106, pour former un deuxième courant de deuxième liquide frigorifique refroidi 127.
Le deuxième courant de deuxième liquide frigorifique refroidi 127 est détendu dans un organe de détente 128, par exemple à 2,7 bar, pour former un deuxième courant de deuxième liquide frigorifique refroidi et détendu 130.
Le deuxième courant de deuxième liquide frigorifique refroidi et détendu 130 est admis dans le deuxième échangeur de chaleur 20 pour refroidir le premier courant de gaz naturel liquéfié 22. Par exemple, le deuxième courant de deuxième liquide frigorifique refroidi et détendu 130 est mélangé au courant de deuxième fluide frigorifique refroidi et détendu 104 avant d’être admis dans le deuxième échangeur de chaleur 20.
Dans l’installation 120, on peut dire que le deuxième cycle frigorifique 60 comporte la boucle 64, dans laquelle le refroidissement initial du deuxième fluide frigorifique a lieu dans le premier échangeur de chaleur 18, et une nouvelle boucle 132, dans laquelle le refroidissement initial du deuxième fluide frigorifique a lieu dans le troisième échangeur de chaleur 36.
En référence à la , on décrit une installation 200 constituant une variante de l’installation 10. L’installation 200 est analogue à l’installation 10 représentée sur la . Les éléments identiques portent les mêmes références numériques et ne seront pas décrits à nouveau. Seules les différences sont décrites en détail ci-après.
Le premier échangeur de chaleur 18 est configuré pour que le courant de deuxième fluide frigorifique refroidi 102 soit gazeux, et non liquide, en sortie du premier échangeur de chaleur 18. La détente du courant de deuxième fluide frigorifique refroidi 102 est réalisée, non pas dans la vanne de détente 74 représentée sur la , mais dans une turbine 202.
La circulation du deuxième fluide frigorifique dans le deuxième cycle frigorifique 60 comprend en outre une compression du deuxième fluide frigorifique réalisée par un compresseur 204 mécaniquement couplé à la turbine 202.
L’installation 200 comprend avantageusement un refroidisseur 206 situé entre le compresseur 204 et le premier échangeur de chaleur 18 dans la boucle 64.
En référence à la , on décrit une installation 300 constituant une variante de l’installation 10. L’installation 300 est analogue à l’installation 10 représentée sur la . Les éléments identiques portent les mêmes références numériques et ne seront pas décrits à nouveau. Seules les différences sont décrites en détail ci-après.
Le courant de deuxième fluide frigorifique refroidi 102 est obtenu non seulement par le passage de la partie 100 dans le premier échangeur de chaleur 18, mais également par un passage dans le deuxième échangeur de chaleur 20.
Plus précisément, la partie 100 du deuxième fluide passe dans le premier échangeur de chaleur 18 pour former un flux refroidi 302. Le flux refroidi 302 est ensuite sous-refroidi dans le deuxième échangeur de chaleur 20, par exemple à co-courant avec le premier courant de gaz naturel liquéfié 22, pour obtenir le courant de deuxième fluide frigorifique refroidi 102.
En référence à la , on décrit une installation 400 constituant une variante de l’installation 300. L’installation 400 est analogue à l’installation 300 représentée sur la . Les éléments identiques portent les mêmes références numériques et ne seront pas décrits à nouveau. Seules les différences sont décrites en détail ci-après.
Seulement une partie du courant de deuxième fluide frigorifique refroidi 102 est détendue dans la vanne 74 pour former le courant de deuxième fluide frigorifique refroidi et détendu 104.
Une autre partie 402 du courant de deuxième fluide frigorifique refroidi 102 est détendue dans une vanne de détente 404, et admise dans le séparateur de gaz de flash 32.
L’installation 400 comprend avantageusement un stockage 406 recevant le gaz naturel liquéfié 12 en provenance du séparateur de gaz de flash 32.
Un gaz d’évaporation 408 (en anglaisboil-off gasou BOG) est prélevé dans le stockage 406, et alimente le deuxième cycle frigorifique 60. Plus précisément, le gaz d’évaporation 408 est ajouté au flux réchauffé 94, par exemple en amont du compresseur 72.
En référence à la , on décrit une installation 500 constituant une variante de l’installation 120. L’installation 500 est analogue à l’installation 120 représentée sur la . Les éléments identiques portent les mêmes références numériques et ne seront pas décrits à nouveau. Seules les différences sont décrites en détail ci-après.
Comme sur la , une autre partie 502 du courant de deuxième fluide frigorifique refroidi 102 est détendue dans une vanne de détente 504, et admise dans le séparateur de gaz de flash 32.
L’installation 500 comprend avantageusement un stockage 506 recevant le gaz naturel liquéfié 12 en provenance du séparateur de gaz de flash 32.
Un gaz d’évaporation 508 (en anglaisboil-off gas) est prélevé dans le stockage 506, et alimente le deuxième cycle frigorifique 60. Plus précisément, le gaz d’évaporation 508 est ajouté au flux réchauffé 94, par exemple en amont du compresseur 72, comme sur la .
En référence à la , on décrit une installation 600 constituant une variante de l’installation 300. L’installation 600 est analogue à l’installation 300 représentée sur la . Les éléments identiques portent les mêmes références numériques et ne seront pas décrits à nouveau. Seules les différences sont décrites en détail ci-après.
Un rebouilleur de la colonne de déazotation est intégré au deuxième échangeur de chaleur 20. Ceci contribue à sous-refroidir le premier courant de gaz naturel liquéfié 22 en le deuxième courant de gaz naturel liquéfié sous-refroidi 26. Un flux liquide 602 riche en azote est extrait du séparateur de gaz de flash 32 et conduit dans le deuxième échangeur de chaleur 20, qui agit comme un rebouilleur. Le flux liquide 602 se vaporise partiellement dans le deuxième échangeur de chaleur 20 et forme un flux diphasique 604 qui est renvoyé à la colonne de déazotation 32.
Les variantes décrites ci-dessus en référence aux figures 2 à 7 présentent des avantages analogues à ceux de l’installation 10. Ces variantes sont éventuellement combinées entre elles quand cela est techniquement possible pour former d’autres variantes.
C
omparaison
des différentes variantes av
ec un état de la technique à un
seul cycle frigori
fique à réfrigérant mixte
[Tab 1]
Le tableau ci-dessus précise la composition du premier fluide frigorifique et les puissances consommées. Il fournit dans les deux dernières lignes la puissance spécifique consommée pour produire le flux 12 de GNL.
On constate que les puissances spécifiques consommées sont sensiblement égales à la puissance spécifique de l’état de la technique. Ainsi, la réduction de l’emprise de l’installation 10 ne se fait pas au détriment de l’énergie consommée pour produire le GNL.
Claims (10)
- Procédé de production de gaz naturel liquéfié (12) à partir de gaz naturel (14), comprenant les étapes suivantes :
- refroidissement d’au moins une première partie (19) du gaz naturel (14) dans un premier échangeur de chaleur (18) par échange de chaleur avec un premier fluide frigorifique (44) et obtention d’un premier courant de gaz naturel liquéfié (22), le premier fluide frigorifique (44) étant un réfrigérant mixte,
- circulation du premier fluide frigorifique (44) dans un premier cycle frigorifique fermé (42),
- sous-refroidissement du premier courant de gaz naturel liquéfié (22) dans un deuxième échangeur de chaleur (20) par échange de chaleur avec un deuxième fluide frigorifique (62) distinct du premier fluide frigorifique (44), et obtention d’un deuxième courant de gaz naturel liquéfié sous-refroidi (26),
- détente du deuxième courant de gaz naturel liquéfié sous-refroidi (26) pour former un troisième courant de gaz naturel liquéfié (30), et amenée du troisième courant de gaz naturel liquéfié (30) dans un séparateur de gaz de flash (32),
- prélèvement, en pied du séparateur de gaz de flash (32), dudit gaz naturel liquéfié (12) produit,
- circulation du deuxième fluide frigorifique (62) dans un deuxième cycle frigorifique (60), ladite circulation comprenant au moins : un refroidissement du deuxième fluide frigorifique (62) au moins dans le premier échangeur de chaleur (18) par échange de chaleur avec le premier fluide frigorifique (44) pour obtenir un courant de deuxième fluide frigorifique refroidi (102); une détente d’au moins une partie du courant de deuxième fluide frigorifique refroidi (102) ; une obtention d’un courant de deuxième fluide frigorifique refroidi et détendu (104); et une admission du courant de deuxième fluide frigorifique refroidi et détendu (104), dans le deuxième échangeur de chaleur (20), pour refroidir le premier courant de gaz naturel liquéfié (22), et
- prélèvement, en tête du séparateur de gaz de flash (32), d’un flux gazeux (34), et alimentation du deuxième cycle frigorifique (60) par au moins une partie dudit flux gazeux (34). - Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre une dérivation d’une première partie (98) du deuxième fluide frigorifique (62) hors du deuxième cycle frigorifique (60) pour produire un gaz combustible (16).
- Procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre :
- un refroidissement d’une deuxième partie (38) du gaz naturel (14) dans un troisième échangeur de chaleur (36) par échange de chaleur avec le deuxième fluide frigorifique (62) et avec le flux gazeux (34) prélevé en tête du séparateur de gaz de flash (32), et obtention d’un quatrième courant de gaz naturel liquéfié (39),
- une détente du quatrième courant de gaz naturel liquéfié (39), et
- une admission du quatrième courant de gaz naturel liquéfié et détendu (110) dans le séparateur de gaz de flash (32). - Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre :
- une dérivation d’une deuxième partie (124) du deuxième fluide frigorifique (62) hors du deuxième cycle frigorifique (60),
- un refroidissement de la deuxième partie (124) du deuxième fluide frigorifique (62) dans un ou le troisième échangeur de chaleur (36) par échange de chaleur avec le flux gazeux (34) prélevé en tête du séparateur de gaz de flash (32) et avec un flux gazeux (106) de deuxième fluide frigorifique (62) en provenance du deuxième échangeur de chaleur (20), et obtention d’un deuxième courant de deuxième liquide frigorifique refroidi (126),
- une détente du deuxième courant de deuxième liquide frigorifique refroidi (126) pour obtenir un deuxième courant de deuxième liquide frigorifique refroidi et détendu (130), et
- une admission du deuxième courant de deuxième liquide frigorifique refroidi et détendu (130), dans le deuxième échangeur de chaleur (20), pour refroidir le premier courant de gaz naturel liquéfié (22). - Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ladite détente du courant de deuxième fluide frigorifique refroidi (102) est réalisée au moins en partie dans une vanne de détente (74).
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel :
- le courant de deuxième fluide frigorifique refroidi (102) est gazeux en sortie du premier échangeur de chaleur (18),
- ladite détente du courant de deuxième fluide frigorifique refroidi (102) est réalisée au moins en partie dans une turbine (202), et
- ladite circulation du deuxième fluide frigorifique (62) dans le deuxième cycle frigorifique (60) comprend au moins une compression du deuxième fluide frigorifique (62) réalisée par au moins un compresseur (204) mécaniquement couplé à ladite turbine (202). - Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ledit refroidissement du deuxième fluide frigorifique (62) comprend en outre un passage du deuxième fluide frigorifique (62) dans le deuxième échangeur de chaleur (20) préalablement à ladite détente du courant de deuxième fluide frigorifique refroidi (102).
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel au moins une autre partie (402 ; 502) du courant de deuxième fluide frigorifique refroidi (102) est détendue et admise dans le séparateur de gaz de flash (32).
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant en outre :
- une admission du gaz naturel liquéfié (12) dans un stockage (406 ; 506),
- un prélèvement d’un gaz d’évaporation (408 ; 508) dans le stockage (406 ; 506), et
- une alimentation du deuxième cycle frigorifique (60) par au moins une partie du gaz d’évaporation (408 ; 508). - Installation (10 ; 120 ; 200 ; 300 ; 400) de production de gaz naturel liquéfié (12) à partir de gaz naturel (14), comprenant:
- un premier échangeur de chaleur (18) adapté pour refroidir au moins une première partie (19) du gaz naturel (14) par échange de chaleur avec un premier fluide frigorifique (44) et obtenir un premier courant de gaz naturel liquéfié (22), le premier fluide frigorifique (44) étant un réfrigérant mixte,
- un premier cycle frigorifique (42) fermé adapté pour faire circuler le premier fluide frigorifique (44),
- un deuxième échangeur de chaleur (20) adapté pour sous-refroidir le premier courant de gaz naturel liquéfié (22) par échange de chaleur avec un deuxième fluide frigorifique (62) distinct du premier fluide frigorifique (44), et obtenir un deuxième courant de gaz naturel liquéfié sous-refroidi (26),
- un organe de détente (28) adapté pour détendre le deuxième courant de gaz naturel liquéfié sous-refroidi (26) et former un troisième courant de gaz naturel liquéfié (30),
- un séparateur de gaz de flash (32) adapté pour recevoir le troisième courant de gaz naturel liquéfié (30),
- un système de prélèvement (76), en pied du séparateur de gaz de flash (32), adapté pour prélever ledit gaz naturel liquéfié (12) produit,
- un deuxième cycle frigorifique (60) adapté pour faire circuler le deuxième fluide frigorifique (62), et pour : refroidir le deuxième fluide frigorifique (62) au moins dans le premier échangeur de chaleur (18) par échange de chaleur avec le premier fluide frigorifique (44) et obtenir un courant de deuxième fluide frigorifique refroidi (102); détendre au moins une partie du courant de deuxième fluide frigorifique refroidi (102) ; obtenir un courant de deuxième fluide frigorifique refroidi et détendu (104) ; et admettre le courant de deuxième fluide frigorifique refroidi et détendu (104), dans le deuxième échangeur de chaleur (20), pour refroidir le premier courant de gaz naturel liquéfié (22), et
- un système de prélèvement (66), en tête du séparateur de gaz de flash (32), adapté pour prélever un flux gazeux (34), et pour alimenter le deuxième cycle frigorifique (60) par au moins une partie dudit flux gazeux (34).
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