FR3141998A1 - Dispositif et procédé de sous-refroidissement d’un gaz liquefié - Google Patents

Dispositif et procédé de sous-refroidissement d’un gaz liquefié Download PDF

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Abstract

Le dispositif (100) de sous-refroidissement d’un flux de gaz liquéfié comporte :-un premier échangeur (105) thermique de sous-refroidissement,- un deuxième échangeur (125) thermique de sous-refroidissement,- un détendeur (155) d’un flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, le flux de gaz en sortie du détendeur étant monophasique liquide,- un séparateur (145) configuré pour former deux flux :- un premier flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, et- un deuxième flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, et- une conduite (150) de recyclage du deuxième flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, reliée à l’entrée pour flux de gaz détendu recirculé en phase liquide du premier échangeur thermique,le deuxième échangeur thermique étant configuré pour que, en sortie, le flux de gaz présente une température telle que le flux en sortie du détendeur soit monophasique. Figure pour l’abrégé : Figure 1

Description

DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE SOUS-REFROIDISSEMENT D’UN GAZ LIQUEFIÉ DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
La présente invention vise un dispositif de sous-refroidissement d’un gaz liquéfié et un procédé de sous-refroidissement d’un gaz liquéfié. Elle s’applique, notamment, au domaine de la production de gaz naturel liquéfié ou de biométhane liquéfié.
 ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Les approches décrites dans cette section sont des approches qui pourraient être poursuivies, mais pas nécessairement des approches qui ont été conçues ou poursuivies précédemment. Par conséquent, sauf indication contraire, il convient de ne pas supposer que l'une ou l'autre des approches décrites dans cette section constitue un art antérieur du seul fait de son inclusion dans cette section.
Le principe de la liquéfaction d’un gaz (azote, air, dioxyde de carbone ou gaz riche en méthane par exemple) et de son stockage à des pressions proches de la pression atmosphérique (typiquement moins que 10 bara) repose généralement sur cinq étapes fondamentales, tel que représenté en :
- une étape 405 de compression du gaz à une valeur significativement supérieure à la pression du stockage appelée ici « pression haute » suivi d’un refroidissement 410 à la température ambiante,
- une étape 415 de pré-traitement servant notamment à éviter toute cristallisation d’impuretés dans la phase de liquéfaction du gaz
- une étape 420 de refroidissement en vue de liquéfier et même sous-refroidir le gaz déjà liquide afin que, lors la détente finale (appelée parfois « flash » ou « end-flash »), l’évaporation partielle du gaz liquéfié soit suffisamment faible (typiquement une fraction de vapeur inférieure à 40%mol) et
- une étape 425 de détente finale ou « end-flash », réalisée par exemple à travers un dispositif de détente (par exemple une vanne Joule-Thomson), et configurée pour effectivement passer de la pression haute à la pression de stockage finale, nettement plus basse ; à cette étape une partie du liquide s’évapore donc et est soit recyclée en amont de compression initiale soit utilisée par d’autres procédés.
Les dispositifs et procédés mettant en œuvre une telle méthode génèrent de la vapeur lors de la détente finale du gaz liquéfié. Cette formation de vapeur pose au moins deux problèmes techniques :
- tout d’abord, transporter un fluide diphasique est toujours techniquement complexe et instable ; ce qui requiert d’une part un dimensionnement spécifique de la canalisation reliant le système de détente finale au stockage final et d’autre part de fortes contraintes géométriques (limiter la longueur de cette canalisation diphasique afin de limiter les risques d’écoulements stratifiés où phases vapeurs et liquides ne voyagent pas à la même vitesse) et
- ensuite, s’il reste des impuretés après la phase de prétraitement, leur cristallisation dépend notablement de la phase du solvant, ici le gaz liquéfié : pour une température donnée, le risque de cristallisation de la plupart des impuretés est considérablement plus élevé en phase diphasique qu’en phase liquide pure du solvant ; et le risque inhérent à la cristallisation d’impuretés est d’une part le bouchage et donc l’arrêt du procédé et d’autre part le risque potentiel d’endommagement des équipements induit par le dépôt de solide.
Certains systèmes tentent de remédier à ces inconvénients en augmentant le refroidissement du gaz liquéfié, ce qui implique une augmentation de la puissance de sous-refroidissement et réduit ainsi l’efficacité énergétique de tels systèmes. En effet, apporter le froid nécessaire pour sous-refroidir suffisamment le flux de gaz liquéfié peut dans certaines situations requérir d’augmenter d’au moins 25% la puissance de froid requise ; car au-delà de la charge thermique supplémentaire à apporter, les degrés d’abaissement souhaités étant à des températures plus basses voire nettement plus basses que celle de la plage de condensation, l’efficacité thermodynamique du cycle est thermodynamiquement moins bonne qu’aux températures plus chaudes. Ainsi, non seulement cette solution requiert plus de froid mais ce froid est produit encore moins efficacement (que dans la solution standard avec sous-refroidissement limité) ce qui finalement génère un surcoût tant énergétique qu’économique, la plupart du temps inacceptable en pratique.
Le dimensionnement spécifique des canalisations de sortie présente un risque de mauvais dimensionnement des canalisations et donc d’instabilité du procédé ; le risque est aussi technico-économique car, comme la détente finale du gaz liquéfié dans cette approche ne supporte aucune formation de solide, il faut soit surdimensionner le prétraitement en amont (qui permet d’éliminer les impuretés qui pourraient cristalliser à basse température) soit prendre le risque de boucher le système de détente par dépôt d’impuretés cristallisantes.

OBJET DE L’INVENTION
La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients.
Le concept général de l’invention consiste à :
-pour un gaz à liquéfier déterminé,
- pour des conditions aval de mise en œuvre du gaz (stockage ou consommation, par exemple) déterminées, en termes de pression et de température,
- considérant un nombre déterminé d’étapes ou de moyens de traitement dudit gaz en sortie d’un échangeur thermique final,
configurer l’échangeur thermique final de sorte qu’en sortie d’au moins une étape ou d’au moins un moyen de traitement, le gaz liquide reste à l’état globalement liquide, c’est-à-dire dans un état monophasique et qu’une partie de ce gaz en état monophasique soit recyclé, ou recirculé, vers un échangeur thermique contribuant au refroidissement du gaz à liquéfier ou à sous-refroidir.
À cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif de sous-refroidissement d’un flux de gaz liquéfié, qui comporte :
- un premier échangeur thermique de sous-refroidissement intermédiaire, comportant :
- une entrée pour flux de gaz liquéfié initial, agissant en source chaude dans le premier échangeur thermique,
- une entrée pour flux de gaz détendu recirculé en phase liquide, agissant en source froide dans le premier échangeur thermique et
- une sortie pour flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide,
- un deuxième échangeur thermique de sous-refroidissement final, comportant :
- une entrée pour flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi en phase liquide, agissant en source chaude dans le deuxième échangeur thermique,
- une entrée pour fluide de sous-refroidissement en source froide dans le premier deuxième thermique et
- une sortie pour flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide,
- un détendeur du flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide , le flux de gaz liquéfié en sortie du détendeur étant monophasique liquide,
- un séparateur, en aval du détendeur configuré pour former deux flux :
- un premier flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, et
- un deuxième flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, et
- une conduite de recyclage du deuxième flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, reliée à l’entrée pour flux de gaz détendu recirculé en phase liquide du premier échangeur thermique,
le deuxième échangeur thermique étant configuré pour que, en sortie, le liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, présente une température configurée pour que le flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, en sortie du détendeur soit monophasique liquide.
Grâce à ces dispositions, le gaz en entrée du séparateur est monophasique liquide, ce qui permet :
- une stabilité du processus de liquéfaction sur le long terme (pas de risque de cristallisation ou d’erreur de dimensionnement de canalisations diphasiques),
- une facilité de dimensionnement et de conception (plus besoin de faire appel à des ingénieries spécifiquement compétentes en gestion des flux cryogéniques diphasiques),
- une sécurité complémentaire du procédé (plus de risque de bouchage et de destruction par dépôt d’impureté cristallisante dans les équipements cryogéniques) car piloté directement par le niveau de sous-refroidissement (il suffit de contrôler la température de sous-refroidissement final connaissant la composition du gaz liquéfié pour être certain de pas avoir de génération de vapeur et donc de risque de cristallisation) et
- le tout de manière économique c’est-à-dire avec minimum de modifications des équipements existants et un surplus de consommation d’énergie minime.
La mise en œuvre d’un détendeur permet de mettre le gaz en conformité avec des conditions de stockage à basse pression par rapport à la pression mise en œuvre dans le dispositif objet de la présente invention.
Dans des modes de réalisation particuliers, le séparateur est configuré pour que le deuxième flux de gaz représente entre 3% et 90% de la masse molaire du flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, en entrée du séparateur.
Dans des modes de réalisation particuliers, le dispositif objet de la présente invention comporte, en amont du premier échangeur :
- un troisième échangeur thermique de refroidissement, comportant :
- une entrée pour flux de gaz initial, agissant en source chaude dans le troisième échangeur thermique,
- une entrée pour flux de fluide de refroidissement en source froide dans le premier échangeur thermique et
- une sortie pour flux de gaz liquéfié initial et
- une conduite de fourniture du flux de gaz liquéfié initial à l’entrée pour flux de gaz liquéfié initial du premier échangeur thermique.
Ces modes de réalisations permettent de refroidir le flux de gaz, par exemple jusqu’à au moins la température de bulle du gaz.
Dans des modes de réalisation particuliers, le dispositif objet de la présente invention comporte, en amont du premier échangeur thermique, un compresseur du flux de gaz initial.
- Ces modes de réalisation facilitent la condensation ultérieure du gaz.
Dans des modes de réalisation particuliers, le dispositif objet de la présente invention comporte, en amont du premier échangeur thermique, un épurateur du flux de gaz initial.
- Ces modes de réalisation permettent de retirer du flux de gaz initial l’essentiel des impuretés.
Dans des modes de réalisation particuliers, le dispositif objet de la présente invention comporte, en amont du premier échangeur thermique, un échangeur de chaleur configuré pour agir sur le flux de gaz initial.
- Ces modes de réalisation permettent de refroidir le gaz en amont de la liquéfaction de ce gaz.
Dans des modes de réalisation particuliers, le dispositif objet de la présente invention comporte, en aval du premier échangeur thermique, un échangeur de chaleur configuré pour agir sur le flux de gaz recyclé.
- Ces modes de réalisation permettent de valoriser des frigories restantes contenues dans le flux de gaz liquide.
-Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de sous-refroidissement d’un flux de gaz liquéfié, qui comporte :
- une première étape d’échange thermique de sous-refroidissement intermédiaire, comportant :
- une étape d’entrée pour flux de gaz liquéfié initial, agissant en source chaude,
- une étape d’entrée pour flux de gaz détendu recirculé en phase liquide, agissant en source froide et
- une étape de sortie pour flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide,
- une deuxième étape d’échange thermique de sous-refroidissement final, comportant :
- une étape d’entrée pour flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, agissant en source chaude,
- une étape d’entrée pour fluide de sous-refroidissement, agissant en source froide et
- une étape de sortie pour flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide,
- une étape de détente du flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, le flux de gaz liquéfié en sortie étant monophasique liquide,
-une étape de séparation, pour former deux flux :
- un premier flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, et
- un deuxième flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, et
- une étape de recyclage du deuxième flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, vers l’étape d’entrée pour flux de gaz détendu recirculé en phase liquide de la première étape d’échange thermique,
la deuxième étape d’échange thermique étant configurée pour que, en sortie, le flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, présente une température configurée pour que le flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, en sortie de l’étape de détente soit monophasique.
 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du dispositif et du procédé objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :
représente, schématiquement, un mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention,
représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une succession d’étapes particulière du procédé objet de la présente invention et
représente, schématiquement un mode de réalisation particulier d’un dispositif connu de l’art antérieur.
DESCRIPTION D’EXEMPLES DE REALISATION DE L’INVENTION
La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.
On note dès à présent que les figures ne sont pas à l’échelle.
Comme on le comprend à la lecture de la présente description, divers concepts inventifs peuvent être mis en œuvre par une ou plusieurs méthodes ou dispositifs décrits ci-après, dont plusieurs exemples sont ici fournis. Les actions ou étapes réalisées dans le cadre de la réalisation du procédé ou du dispositif peuvent être ordonnées de toute manière appropriée. En conséquence, il est possible de construire des modes de réalisation dans lesquels les actions ou étapes sont exécutées dans un ordre différent de celui illustré, ce qui peut inclure l'exécution de certains actes simultanément, même s'ils sont présentés comme des actes séquentiels dans les modes de réalisation illustrés.
Les articles indéfinis "un" et "une", tels qu'ils sont utilisés dans la description et dans les revendications, doivent être compris comme signifiant "au moins un", sauf indication claire du contraire.
L'expression "et/ou", telle qu'elle est utilisée dans le présent document et dans les revendications, doit être comprise comme signifiant "l'un ou l'autre ou les deux" des éléments ainsi conjoints, c'est-à-dire des éléments qui sont présents de manière conjonctive dans certains cas et de manière disjonctive dans d'autres cas. Les éléments multiples énumérés avec "et/ou" doivent être interprétés de la même manière, c'est-à-dire "un ou plusieurs" des éléments ainsi conjoints. D'autres éléments peuvent éventuellement être présents, autres que les éléments spécifiquement identifiés par la clause "et/ou", qu'ils soient liés ou non à ces éléments spécifiquement identifiés. Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, une référence à "A et/ou B", lorsqu'elle est utilisée conjointement avec un langage ouvert tel que "comprenant" peut se référer, dans un mode de réalisation, à A seulement (incluant éventuellement des éléments autres que B) ; dans un autre mode de réalisation, à B seulement (incluant éventuellement des éléments autres que A) ; dans un autre mode de réalisation encore, à A et B (incluant éventuellement d'autres éléments) ; etc.
Tel qu'utilisé ici dans la description et dans les revendications, "ou" doit être compris comme ayant la même signification que "et/ou" tel que défini ci-dessus. Par exemple, lorsqu'on sépare des éléments dans une liste, "ou" ou "et/ou" doit être interprété comme étant inclusif, c'est-à-dire l'inclusion d'au moins un, mais aussi de plus d'un, d'un nombre ou d'une liste d'éléments, et, facultativement, d'éléments supplémentaires non listés. Seuls les termes indiquant clairement le contraire, tels que "un seul des" ou "exactement un des", ou, lorsqu'ils sont utilisés dans les revendications, "consistant en", font référence à l'inclusion d'un seul élément d'un nombre ou d'une liste d'éléments. En général, le terme "ou" tel qu'il est utilisé ici ne doit être interprété comme indiquant des alternatives exclusives (c'est-à-dire "l'un ou l'autre mais pas les deux") que lorsqu'il est précédé de termes d'exclusivité, tels que "soit", "l'un de", "un seul de" ou "exactement un de".
Telle qu'elle est utilisée dans la présente description et dans les revendications, l'expression "au moins un", en référence à une liste d'un ou de plusieurs éléments, doit être comprise comme signifiant au moins un élément choisi parmi un ou plusieurs éléments de la liste d'éléments, mais n'incluant pas nécessairement au moins un de chaque élément spécifiquement énuméré dans la liste d'éléments et n'excluant pas toute combinaison d'éléments dans la liste d'éléments. Cette définition permet également la présence facultative d'éléments autres que les éléments spécifiquement identifiés dans la liste des éléments auxquels l'expression "au moins un" fait référence, qu'ils soient liés ou non à ces éléments spécifiquement identifiés. Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, "au moins l'un de A et B" (ou, de manière équivalente, "au moins l'un de A ou B", ou, de manière équivalente, "au moins l'un de A et/ou B") peut se référer, dans un mode de réalisation, à au moins un, incluant éventuellement plus d'un, A, sans B présent (et incluant éventuellement des éléments autres que B) ; dans un autre mode de réalisation, à au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, B, sans A présent (et comprenant éventuellement des éléments autres que A) ; dans encore un autre mode de réalisation, à au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, A, et au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, B (et comprenant éventuellement d'autres éléments) ; etc.
Dans les revendications, ainsi que dans la description ci-dessous, toutes les expressions transitoires telles que "comprenant", "incluant", "portant", "ayant", "contenant", "impliquant", "tenant", "composé de", et autres, doivent être comprises comme étant ouvertes, c'est-à-dire comme signifiant incluant mais non limité à. Seules les expressions transitoires "consistant en" et "consistant essentiellement en" doivent être comprises comme des expressions transitoires fermées ou semi-fermées, respectivement.
Comme on le comprend à la lecture du présent document, la présente invention peut être appliquée à une pluralité de gaz distincts, tel que l’azote, l’air, le dioxyde de carbone ou un gaz riche en méthane par exemple. Selon le gaz considéré, les valeurs opératoires de pression et de température du procédé ou du dispositif objet de la présente invention sont adaptées pour atteindre la liquéfaction du gaz aux conditions de phases mentionnées ci-dessous.
On dit qu’un flux de gaz est monophasique quand la totalité de la masse molaire le constituant est dans une phase (liquide, solide ou vapeur) donnée. Un tel état est atteint, par exemple, quand la proportion de masse molaire de la phase liquide dans le flux est égale à 100 %.
On note que chaque entrée et/ou sortie d’un élément d’un schéma hydraulique est, par exemple, une ouverture dans ledit élément configurée pour être reliée à une conduite de transport de fluide adaptée à la nature du fluide transporté.
On observe, sur la , qui n’est pas à l’échelle, une vue schématique d’un mode de réalisation du dispositif 100 objet de la présente invention. Ce dispositif 100 de sous-refroidissement d’un flux de gaz liquéfié comporte :
- un premier échangeur 105 thermique de sous-refroidissement intermédiaire, comportant :
- une entrée 110 pour flux de gaz liquéfié initial, agissant en source chaude dans le premier échangeur thermique,
- une entrée 115 pour flux de gaz détendu recirculé en phase liquide, agissant en source froide dans le premier échangeur thermique et
- une sortie 120 pour flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide,
- un deuxième échangeur 125 thermique de sous-refroidissement final, comportant :
- une entrée 130 pour flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, agissant en source chaude dans le deuxième échangeur thermique,
- une entrée 135 pour fluide de sous-refroidissement, agissant en source froide dans le premier deuxième thermique et
- une sortie 140 pour flux de gaz liquéfié initial, sous-refroidi, en phase liquide sous-refroidi,
- un détendeur 155 du flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, le flux de gaz liquéfié en sortie du détendeur étant monophasique liquide,
- un séparateur 145, en aval du détendeur 155 configuré pour former deux flux :
- un premier flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, et
- un deuxième flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, et
- une conduite 150 de recyclage du deuxième flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, reliée à l’entrée pour flux de gaz détendu recirculé en phase liquide du premier échangeur thermique,
le deuxième échangeur thermique étant configuré pour que, en sortie, le flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, présente une température configurée pour que le flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, en sortie du détendeur soit monophasique liquide.
Le premier échangeur 105 thermique a pour fonction de sous-refroidir le gaz liquéfié initial, en entrée 110 du premier échangeur 105, par échange de chaleur avec le flux de gaz recirculé en phase liquide, en entrée 115 du premier échangeur 105.
En entrée du premier échangeur 105, le gaz initial est préférentiellement à l’état au moins partiellement liquide et, préférentiellement, globalement à l’état liquide. Ainsi, le gaz liquéfié initial en entrée 110 du premier échangeur 105 est préférentiellement à une température inférieure à la température de bulle dudit gaz.
Dans d’autres variantes, le gaz initial en entrée 110 du premier échangeur 105 est à l’état de vapeur.
Par rapport à la liquéfaction d’un cas classique, tel que représenté en , où un cycle externe de réfrigération est utilisé pour refroidir le gaz liquéfié à une température égale à une valeur TD et où à la détente finale une quantité de vapeur Xv,flashest générée, la présente invention consiste à pousser le sous-refroidissement jusqu’à une température telle que la séparation ou la détente finale ne génère aucune vapeur.
Comme on le comprend, la plage principale de sous-refroidissement est ainsi réalisée à l’aide d’une fraction du gaz liquéfié final utilisé comme apport de froid. Cette fraction de gaz liquéfié est à la pression d’un stockage 101 et est donc la fraction qui est détournée du débit de remplissage du stockage 101 ; la valeur de cette fraction est typiquement égale (à quelques pourcents près) à Xv,flash, c’est-à-dire la fraction équivalente de vapeur qui est générée dans le cas standard lorsqu’on réalise la même détente mais en partant d’un gaz liquéfié sous-refroidi seulement à la température TD.
Le deuxième échangeur 125 thermique a pour fonction de sous-refroidir le gaz liquéfié initial en sortie du premier échangeur 105 thermique au contact d’un fluide de refroidissement à une température déterminée de telle sorte que le gaz liquide en sortie du séparateur 145 soit monophasique et en phase liquide.
En entrée du deuxième échangeur 125, le gaz liquéfié initial est préférentiellement à l’état au moins partiellement liquide et, préférentiellement, globalement à l’état liquide. Ainsi, le gaz liquéfié initial en entrée 130 du deuxième échangeur 125 est préférentiellement à une température inférieure à la température de bulle dudit gaz.
Le séparateur 145 peut être de tout type adapté à la séparation d’une fraction d’un liquide dans un flux traversant ce séparateur 145. La proportion de deuxième flux à séparer du premier flux peut être une valeur constante ou une valeur déterminable en fonction, par exemple, du débit de gaz traversant le dispositif 100.
La conduite 150 de recyclage est, par exemple, de tout type adapté au transport du gaz mis en œuvre par le dispositif 100 en phase liquide.
Cette plage de sous-refroidissement finale, assurant l’abaissement de la température du gaz liquéfié jusqu’à une température permettant de ne générer aucune vapeur lors de la séparation et/ou détente, est restreinte à un refroidissement de quelques degrés (typiquement cette plage s’étale sur moins de 10°C et préférentiellement moins de 5°C). Ce sous-refroidissement est réalisé, par exemple, à l’aide d’un cycle externe de réfrigération. Un tel cycle externe, dans le cas de la liquéfaction d’un gaz riche en méthane, peut être par exemple un cycle ouvert à l’azote liquide ou un cycle inverse de Brayton. Comme la plage de sous refroidissement est très restreinte, le surplus de consommation d’énergie par un procédé classique est très limité (de l’ordre de quelques pourcents de plus que la consommation d’énergie du cycle de refroidissement dans le cas standard représenté en ).
- Le détendeur 155 est, par exemple, une vanne Joule-Thomson ou tout autre organe de détente ordinairement connu pour la détente d’un gaz liquéfié. Un tel stockage 101 est, par exemple, un réservoir adapté à la rétention et au transport de gaz naturel liquéfié. Lorsqu’un tel détendeur 155 est mis en œuvre, le dispositif 100 est configuré pour que, en sortie du détendeur 155, le gaz naturel liquéfié demeure monophasique et en phase liquide.
- Dans des modes de réalisation particuliers, le séparateur 145 est configuré pour que le deuxième flux de gaz représente entre 3% et 90% de la masse molaire du flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, en entrée du séparateur.
- Dans des modes de réalisation particuliers, le dispositif 100 objet de la présente invention comporte, en amont du premier échangeur 105 thermique :
- un troisième échangeur 160 thermique de refroidissement, comportant :
- une entrée 165 pour flux de gaz initial, agissant en source chaude dans le troisième échangeur thermique,
- une entrée 170 pour flux de fluide de refroidissement, agissant en source froide dans le premier échangeur thermique ; ce flux 170 pouvant par exemple faire partie d’un cycle de refroidissement de type Brayton inverse et
- une sortie 175 pour flux de gaz liquéfié initial et
- une conduite 180 de fourniture du flux de gaz liquéfié initial à l’entrée 110 pour flux de gaz liquéfié initial du premier échangeur 105 thermique.
Le troisième échangeur 160 thermique a pour fonction de réduire la quantité de gaz liquéfié détourné pour réaliser le sous-refroidissement dans le premier échangeur 105 thermique.
Dans des modes de réalisation particuliers, le dispositif 100 objet de la présente invention comporte, en amont du premier échangeur 105 thermique, un compresseur 185 du flux de gaz initial.
Un tel compresseur 185 peut être de tout type adapté pour le gaz initial à liquéfier. Un tel compresseur 185 est, par exemple, un compresseur centrifuge.
Dans des variantes, la conduite 150 de recyclage est configurée pour être reliée au compresseur 185 de sorte que, après échange dans le premier échangeur 105 thermique, la fraction séparée dans le séparateur 145 soit fournie au compresseur 185. Cette fraction est alors partiellement liquide, partiellement vaporisée ou globalement vaporisée.
Dans des modes de réalisation particuliers, le dispositif 100 objet de la présente invention comporte, en amont du premier échangeur 105 thermique, un épurateur 190 du flux de gaz initial.
- La nature et les paramètres opératoires de l’épurateur 190 dépendent du type d’impuretés à retirer du flux de gaz initial. Un tel épurateur 190 peut être un filtre à charbons actifs ou un évaporateur, par exemple.
Dans des modes de réalisation particuliers, le dispositif 100 objet de la présente invention comporte, en amont du premier échangeur 105 thermique, un échangeur 195 de chaleur configuré pour agir sur le flux de gaz initial.
- L’échangeur 195 de chaleur est, par exemple, configuré pour pré-refroidir le gaz initial en amont de la mise en œuvre par le troisième échangeur 160 thermique ou le premier échangeur 105 thermique.
Dans des modes de réalisation particuliers, le dispositif 100 objet de la présente invention comporte, en aval du premier échangeur 105 thermique, un échangeur 200 de chaleur configuré pour agir sur le flux de gaz recyclé.
- L’échangeur 200 de chaleur est, par exemple, configuré pour collecter des frigories du gaz recyclé.
- On observe, en , schématiquement, un mode de réalisation du procédé 300 objet de la présente invention. Ce procédé 300 de sous-refroidissement d’un flux de gaz liquéfié comporte :
- une première étape 305 d’échange thermique de sous-refroidissement intermédiaire, comportant :
- une étape 310 d’entrée pour flux de gaz liquéfié initial, agissant en source chaude,
- une étape 315 d’entrée pour flux de gaz détendu recirculé en phase liquide, agissant en source froide et
- une étape 320 de sortie pour flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide,
- une deuxième étape 325 d’échange thermique de sous-refroidissement final, comportant :
- une étape 330 d’entrée pour flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, agissant en source chaude,
- une étape d’entrée 335 pour fluide de sous-refroidissement, agissant en source froide et
- une étape 340 de sortie pour flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide,
- une étape de détente 355 du flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, le flux de gaz en sortie étant monophasique liquide,
- une étape 345 de séparation, pour former deux flux :
- un premier flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, et
- un deuxième flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, et
- une étape 350 de recyclage du deuxième flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, vers l’étape d’entrée pour flux de gaz détendu recirculé en phase liquide de la première étape d’échange thermique,
la deuxième étape d’échange thermique étant configurée pour que, en sortie, le flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, présente une température configurée pour que le flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, en sortie de l’étape de détente soit monophasique.
On observe également, en , une étape 301 amont de traitement et de liquéfaction d’un gaz naturel à liquéfier, cette étape 301 correspondant, par exemple, à au moins un traitement réalisé sur le gaz en amont du réacteur 105 thermique dans la .
Des modes de réalisations du procédé 300 objet de la présente invention sont décrits en regard du dispositif 100 tel que décrit en regard de la .
Le tableau récapitulatif suivant illustre un exemple opératoire, non limitatif, comparatif entre l’approche actuelle, représentée en , et l’approche de la présente invention, représentée en figures 1 et 2. En entrée, le gaz à liquéfier est ici considéré comme comportant de la vapeur de GNL, dite BOG (pour « Boil off gas », ou gaz d’évaporation), à basse pression et composé de 100% de méthane.
Point du circuit
A B D F G A’ E’ E’’ G’ F’
Approche présentée en figure 3 Débit massique (kg/h) 100 143,1 143,1 43.1 100 43,1
Température (°C) 30 30 -108 -111 -153 30 -114,1 -152,6
Pression (bara) 1 20 20 2 2 1 20 2
Approche représentée en figures 1 et 2 Débit massique (kg/h) 100 143,1 142 42 100 42
Température (°C) 30 30 -108 -111 -153 30 -152,3 - 153,2 -152,6 -152,6
Pression (bara) 1 20 20 2 2 1 20 20 2 2
Dans cet exemple :
- la température de bulle au point D est de -108 °C et
- le ratio massique de la part dirigée vers le point F sur la masse dirigée vers le réservoir est de 30%.
Dans cet exemple, la différence de température à combler par l’approche représentée en figures 2 et 3 au niveau des échangeurs thermiques est moindre, en particulier dans le deuxième échangeur entre E’ et E’’ où le surplus de refroidissement à apporter n’est que de 0,9°C.

Claims (8)

  1. Dispositif (100) de sous-refroidissement d’un flux de gaz liquéfié, caractérisé en ce qu’il comporte :
    - un premier échangeur (105) thermique de sous-refroidissement intermédiaire, comportant :
    - une entrée (110) pour flux de gaz liquéfié initial, agissant en source chaude dans le premier échangeur thermique,
    - une entrée (115) pour flux de gaz détendu recirculé en phase liquide, agissant en source froide dans le premier échangeur thermique et
    - une sortie (120) pour flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide,
    - un deuxième échangeur (125) thermique de sous-refroidissement final, comportant :
    - une entrée (130) pour flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, agissant en source chaude dans le deuxième échangeur thermique,
    - une entrée (135) pour fluide de sous-refroidissement en source froide dans le premier deuxième thermique et
    - une sortie (140) pour flux de gaz liquéfié initial, sous-refroidi, en phase liquide sous-refroidi,
    - un détendeur (155) du flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, le flux de gaz liquéfié en sortie du détendeur étant monophasique liquide,
    - un séparateur (145), en aval du détendeur (155) configuré pour former deux flux :
    - un premier flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, et
    - un deuxième flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, et
    - une conduite (150) de recyclage du deuxième flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, reliée à l’entrée pour flux de gaz détendu recirculé en phase liquide du premier échangeur thermique,
    le deuxième échangeur thermique étant configuré pour que, en sortie, le flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, présente une température configurée pour que le flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, en sortie du détendeur soit monophasique liquide.
  2. Dispositif (100) selon la revendication 1, dans lequel le séparateur (145) est configuré pour que le deuxième flux de gaz représente entre 3% et 90% de la masse molaire du flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, en entrée du séparateur.
  3. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 ou 2, qui comporte en amont du premier échangeur (105) thermique :
    - un troisième échangeur (160) thermique de refroidissement, comportant :
    - une entrée (165) pour flux de gaz initial, agissant en source chaude dans le troisième échangeur thermique,
    - une entrée (170) pour flux de fluide de refroidissement, agissant en source froide dans le premier échangeur thermique et
    - une sortie (175) pour flux de gaz liquéfié initial et
    - une conduite (180) de fourniture du flux de gaz liquéfié initial à l’entrée pour flux de gaz liquéfié initial du premier échangeur thermique.
  4. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 3, qui comporte, en amont du premier échangeur (105) thermique, un compresseur (185) du flux de gaz initial.
  5. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 4, qui comporte, en amont du premier échangeur (105) thermique, un épurateur (190) du flux de gaz initial.
  6. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 5, qui comporte, en amont du premier échangeur (105) thermique, un échangeur (195) de chaleur configuré pour agir sur le flux de gaz initial.
  7. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 6, qui comporte, en aval du premier échangeur (105) thermique, un échangeur (200) de chaleur configuré pour agir sur le flux de gaz recyclé.
  8. Procédé (300) de sous-refroidissement d’un flux de gaz liquéfié, caractérisé en ce qu’il comporte :
    - une première étape (305) d’échange thermique de sous-refroidissement intermédiaire, comportant :
    - une étape (310) d’entrée pour flux de gaz liquéfié initial, agissant en source chaude,
    - une étape (315) d’entrée pour flux de gaz détendu recirculé en phase liquide, en source froide et
    - une étape (320) de sortie pour flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide,
    - une deuxième étape (325) d’échange thermique de sous-refroidissement final, comportant :
    - une étape (330) d’entrée pour flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, agissant en source chaude,
    - une étape d’entrée (335) pour fluide de sous-refroidissement agissant en source froide et
    - une étape (340) de sortie pour flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide,
    - une étape de détente (355) du flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, le flux de gaz liquéfié en sortie étant monophasique liquide,
    - une étape (345) de séparation, pour former deux flux :
    - un premier flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, et
    - un deuxième flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, et
    - une étape (350) de recyclage du deuxième flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, vers l’étape d’entrée pour flux de gaz détendu recirculé en phase liquide de la première étape d’échange thermique,
    la deuxième étape d’échange thermique étant configurée pour que, en sortie, le flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, présente une température configurée pour que le flux de gaz liquéfié initial sous-refroidi, en phase liquide, en sortie de l’étape de détente soit monophasique.
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