WO2009122064A1 - Procédé de vaporisation d'un liquide cryogénique par échange de chaleur avec un fluide calorigène - Google Patents

Procédé de vaporisation d'un liquide cryogénique par échange de chaleur avec un fluide calorigène Download PDF

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Philippe Grigoletto
Alain Briglia
Daniel Machon Diez De Baldeon
Maurice Bosquain
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L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
Bosquain, Francine
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Definitions

  • the present invention relates to a process for vaporizing a cryogenic liquid, for example liquefied natural gas, by heat exchange with a heat-generating fluid, for example nitrogen gas.
  • a cryogenic liquid for example liquefied natural gas
  • a heat-generating fluid for example nitrogen gas
  • Tubular geometries are not very thermally efficient and often lead to expensive oversizing.
  • a method of heating a first fluid by heat exchange with a second fluid in a plate and fin heat exchanger in which the first fluid is heated in a first series of separate passages. and the second fluid cools in a second series of separate passages characterized in that each passage of the first series is separated from the passage closest to the second series by an auxiliary passage containing fins in which circulates an inert gas.
  • the first fluid consists of liquefied natural gas which vaporizes or heats up in the first series of separate passages;
  • the second fluid consists of nitrogen gas which cools or liquefies in the second series of separate passages;
  • the inert gas is at a pressure at least 0.1, or even at least 0.5 bars greater than that of the first fluid and the second fluid;
  • the inert gas is at a pressure at least 0.1 or even at least 0.5 bar lower than that of the first fluid and the second fluid;
  • the inert gas is nitrogen gas
  • the inert gas sent to at least some auxiliary passages is then sent to the atmosphere or flared;
  • At least one inlet and / or outlet box of one of the first and second fluids is separated from the passages in which the other of the first and second fluids circulates by means of a system of double bars, the bars possibly being separated by a dead zone;
  • the first fluid is heated to a pressure of at least 60 bar abs.
  • a method of starting a plate and fin heat exchanger in which in full speed a first fluid is heated by heat exchange with a second fluid in a plate heat exchanger and fins, the first fluid heating in a first series of separate passages and the second fluid cooling in a second series of separate passages characterized in that each passage of the first series is separated from the passage closest to the second series by a auxiliary passage containing fins and wherein during startup an inert gas at a temperature below room temperature, optionally at cryogenic temperature, is sent to at least one auxiliary passage to accelerate the cold setting.
  • Figures 1 to 3 show a section taken in the direction of the length of the exchanger of each type of passage for an exchanger operating according to the invention.
  • Figure 1 shows an auxiliary passage of inert gas
  • Figure 2 a passage of LNG
  • Figure 3 a passage of nitrogen to be heated.
  • Figures 4 to 6 show another exchanger operating according to the invention.
  • Figure 4 shows a section through the parallel passages of the exchanger in the direction of the width of the exchanger
  • Figure 5 shows a passage of low pressure nitrogen cut in the direction of its length
  • Figure 5 shows a passage of LNG cut in the direction of its length.
  • a passage of the type of FIG. 1 will be placed between each passage of the type of FIG. 2 and each type of FIG. 3.
  • each passage of series of the type of FIG. 2 is separated from each passage of the type series of Figure 3 by a passage of the type of Figure 1 to form a brazed plate and fin exchanger made of aluminum, or other material.
  • the fins are not illustrated to simplify the drawing.
  • Figure 1 is the auxiliary passage of low pressure nitrogen gas inert whose inlet 9 is bottom right and the outlet 11 in the upper left.
  • FIG 2 is illustrated a liquefied natural gas (LNG) warming passage that enters the lower left passage 1 and exits at the top right 3.
  • LNG liquefied natural gas
  • a double bar isolates the top and bottom of the LNG passageway inert nitrogen.
  • Figure 3 shows a high pressure nitrogen gas cooling passage that enters the top of the passage through the inlet 7 and exits at the bottom through the outlet 5.
  • the passage of high pressure nitrogen gas is narrower than the passages of low pressure nitrogen of Figure 1 and liquefied natural gas in Figure 2.
  • an auxiliary passage is interposed between each pair of nitrogen and LNG passages.
  • the thermal exchange between the nitrogen and LNG passages will be through the fins of the auxiliary passage by conduction.
  • the wave chosen for the auxiliary passage will have an optimal height / thickness ratio.
  • the auxiliary passages will be swept with low pressure nitrogen gas (lower pressure than the LNG of Figure 2 and that of the nitrogen of Figure 3) and collected to the atmosphere or possibly a torch .
  • the boxes that cover the stack and can therefore be sources of pollution will therefore be isolated from the other fluid by means of Z dead zones.
  • Dead zones Z will be collected and possibly flushed with low pressure nitrogen.
  • the dead zones above can be isolated from the LNG and nitrogen circuits by means of a double bar system 2 in order to complete the sealing.
  • the play between the double bars 2 can itself be collected to enhance the intrinsic safety. This is explained in more detail for the process of Figures 5 and 6 but also applies to the process of Figures 1 to 3.
  • the passages of FIG. 1 are used during start-ups to cool the exchanger in a progressive and controlled manner by means of a low-pressure nitrogen flow coming from an auxiliary capacity.
  • each passage of nitrogen to be heated is isolated from the LNG passages to be vaporized by a passage containing an inert process gas at high pressure (N 2 HP ), in this case the nitrogen at higher pressure than the nitrogen to be heated (35 bar) and the liquefied natural gas to vaporize (15 bar).
  • N 2 HP inert process gas at high pressure

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Abstract

Dans un procédé de réchauffement d'un premier fluide par échange de chaleur avec un deuxième fluide dans un échangeur à plaques et à ailettes dans lequel le premier fluide se réchauffe dans une première série de passages séparés et le deuxième fluide se refroidit dans une deuxième série de passages séparés, chaque passage de la première série étant séparé du passage le plus proche de la deuxième série par un passage auxiliaire contenant des ailettes où circule un gaz inerte.

Description

Procédé de vaporisation d'un liquide cryogénique par échange de chaleur avec un fluide calorigène
La présente invention est relative à un procédé de vaporisation d'un liquide cryogénique, par exemple du gaz naturel liquéfié, par échange de chaleur avec un fluide calorigène, par exemple de l'azote gazeux.
Pour réchauffer et vaporiser des liquides cryogéniques de type gaz naturel liquéfié (GNL) ou équivalent contre un fluide calorigène, afin de récupérer les frigories du GNL, on a utilisé dans le passé l'une des trois possibilités suivantes :
• une technologie consistant à enrouler sous forme de galettes un système de deux tubes reliés entre eux par un ligament. Les tubes sont soudés ou dudgeonnés sur des collecteurs transversaux aux galettes ;
• des échangeurs brasés à plaques et ailettes ;
• des échangeurs tubulaires bobinés.
Dans le cas où l'on veut récupérer les frigories pour liquéfier des gaz de l'air, on veut absolument éviter une pollution accidentelle de l'azote ou de l'oxygène par un gaz hydrocarbure en particulier quand le gaz naturel circule dans l'échangeur à une pression supérieure à celle du gaz de l'air.
Les géométries tubulaires ne sont pas très efficaces thermiquement et conduisent souvent à un surdimensionnement coûteux.
Par ailleurs les terminaux méthaniers ainsi que les installations de séparation d'air existantes n'ont pas toujours les équipements permettant d'éviter des transitoires thermiques brutales lors des arrêts et du redémarrage, ce qui conduit à des chocs thermiques et donc des endommagements des échangeurs.
Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de réchauffement d'un premier fluide par échange de chaleur avec un deuxième fluide dans un échangeur à plaques et à ailettes dans lequel le premier fluide se réchauffe dans une première série de passages séparés et le deuxième fluide se refroidit dans une deuxième série de passages séparés caractérisé en ce que chaque passage de la première série est séparé du passage le plus proche de la deuxième série par un passage auxiliaire contenant des ailettes où circule un gaz inerte . Optionnellement :
- le premier fluide est constitué par du gaz naturel liquéfié qui se vaporise ou se réchauffe dans la première série de passages séparés ;
- le deuxième fluide est constitué par de l'azote gazeux qui se refroidit ou se liquéfie dans la deuxième série de passages séparés ;
- le gaz inerte est à une pression au moins 0,1 , voire au moins 0.5 bars supérieure à celles du premier fluide et du deuxième fluide ;
- le gaz inerte est à une pression au moins 0,1 voire au moins 0.5 bars inférieure à celles du premier fluide et du deuxième fluide ;
- le gaz inerte est de l'azote gazeux ;
- le gaz inerte envoyé dans au moins certains passages auxiliaires est envoyé ensuite à l'atmosphère ou torché ;
- au moins une boîte d'entrée et/ou de sortie d'un des premier et deuxième fluides est séparée des passages où circule l'autre des premier et deuxième fluides au moyen d'un système de double barres, les barres étant éventuellement séparées par une zone morte ;
- le premier fluide se réchauffe à une pression d'au moins 60 bars abs. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de démarrage d'un échangeur à plaques et à ailettes dans lequel en plein régime un premier fluide se réchauffe par échange de chaleur avec un deuxième fluide dans un échangeur à plaques et à ailettes, le premier fluide se réchauffant dans une première série de passages séparés et le deuxième fluide se refroidissant dans une deuxième série de passages séparés caractérisé en ce que chaque passage de la première série est séparé du passage le plus proche de la deuxième série par un passage auxiliaire contenant des ailettes et dans lequel pendant le démarrage un gaz inerte à une température inférieur à la température ambiante, éventuellement à température cryogénique, est envoyé à au moins un passage auxiliaire pour accélérer la mise en froid.
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures.
Les figures 1 à 3 montrent une section prise dans le sens de la longueur de l'échangeur de chaque type de passage pour un échangeur opérant selon l'invention. La Figure 1 représente un passage auxiliaire de gaz inerte, la Figure 2 un passage de GNL et la Figure 3 un passage d'azote à chauffer.
Les figures 4 à 6 représentent un autre échangeur opérant selon l'invention. La Figure 4 montre une coupe à travers les passages parallèles de l'échangeur dans le sens de la largeur de l'échangeur, la Figure 5 montre un passage d'azote basse pression coupé dans le sens de sa longueur et la Figure 5 montre un passage de GNL coupé dans le sens de sa longueur. Selon l'invention, un passage du type de la Figure 1 sera placé entre chaque passage du type de la Figure 2 et chaque type de la Figure 3. Ainsi chaque passage de séries du type de la Figure 2 est séparé de chaque passage de la série de type de la Figure 3 par un passage du type de la Figure 1 pour former un échangeur à plaque et ailettes brasé en aluminium, ou autre matériau. Les ailettes ne sont pas illustrées pour simplifier le dessin.
La Figure 1 est le passage auxiliaire d'azote gazeux basse pression de inerte dont l'entrée 9 est en bas à droite et la sortie 11 en haut à gauche.
Dans la Figure 2 est illustré un passage de réchauffement de gaz naturel liquéfié (GNL) qui entre dans le passage en bas à gauche 1 et sort en haut à droite 3. Une double barre isole le haut et le bas du passage de GNL du passage d'azote inerte.
La Figure 3 montre un passage de refroidissement d'azote gazeux haute pression qui entre en haut du passage par l'entrée 7 et sort en bas par la sortie 5. Le passage d'azote gazeux haute pression est moins large que les passages d'azote basse pression de la Figure 1 et de gaz naturel liquéfié de la Figure 2.
Pour éviter une pollution de l'azote par le gaz naturel liquéfié, on interpose entre chaque couple de passages d'azote et d'LNG un passage auxiliaire. L'échange thermique entre les passages d'azote et de GNL se fera au travers des ailettes du passage auxiliaire par conduction. Evidemment l'onde choisie pour le passage auxiliaire aura un rapport hauteur / épaisseur optimal.
Dans le cas illustré, les passages auxiliaires seront balayés à l'azote gazeux basse pression (pression inférieure à celle du GNL de la Figure 2 et à celle de l'azote de la Figure 3) et collectés vers l'atmosphère ou éventuellement une torche. Les boites qui couvrent l'empilage et peuvent donc être sources de pollution seront donc isolées de l'autre fluide au moyen de zones mortes Z.
Les zones mortes Z seront collectées et éventuellement balayées à l'azote basse pression.
Les zones mortes ci-dessus peuvent être isolées des circuits de GNL et d'azote au moyen d'un système de doubles barres 2 afin de parfaire l'étanchéité. Le jeu entre les doubles barres 2 peut lui-même être collecté afin de renforcer la sécurité intrinsèque. Ceci est expliqué en plus de détail pour le procédé des Figures 5 et 6 mais s'applique également au procédé des Figures 1 à 3.
Les passages de la Figure 1 sont utilisés lors des démarrages pour mettre en froid l'échangeur de manière progressive et contrôlée au moyen d'un débit d'azote basse pression venant d'une capacité annexe.
Selon un autre aspect de l'invention, illustré aux Figures 4, chaque passage d'azote à réchauffer (N2 BP) est isolé des passages de GNL à vaporiser par un passage contenant un gaz de procédé inerte à pression élevée (N2 HP), dans ce cas de l'azote à plus haute pression que l'azote à réchauffer (35 bars) et que le gaz naturel liquéfié à vaporiser (15 bars).
Comme on voit aux figures 5 et 6, les barres qui séparent un circuit d'azote à réchauffer d'un circuit GNL sont doublées, de sorte que l'espace entre elles forme une zone morte Z ouverte à l'atmosphère par un évent V, de sorte que toute fuite de gaz naturel liquéfié puisse s'y échapper. Les passages des Figures 5 et 6 sont séparés pas un passage de gaz inerte à haute pression.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de réchauffement d'un premier fluide par échange de chaleur avec un deuxième fluide dans un échangeur à plaques et à ailettes dans lequel le premier fluide se réchauffe dans une première série de passages séparés et le deuxième fluide se refroidit dans une deuxième série de passages séparés caractérisé en ce que chaque passage de la première série est séparé du passage le plus proche de la deuxième série par un passage auxiliaire contenant des ailettes où circule un gaz inerte .
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le premier fluide est constitué par du gaz naturel liquéfié qui se vaporise ou se réchauffe dans la première série de passages séparés.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le deuxième fluide est constitué par de l'azote gazeux qui se refroidit ou se liquéfie dans la deuxième série de passages séparés.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le gaz inerte est à une pression au moins 0,1 bars, voire au moins 0.5 bars supérieure à celles du premier fluide et du deuxième fluide.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le gaz inerte est à une pression au moins 0,1 bars, voire au moins 0.5 bars inférieure à celles du premier fluide et du deuxième fluide.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gaz inerte est de l'azote gazeux.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gaz inerte envoyé dans au moins certains passages auxiliaires est envoyé ensuite à l'atmosphère ou torché.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une boîte d'entrée et/ou de sortie d'un des premier et deuxième fluides est séparée des passages où circule l'autre des premier et deuxième fluides au moyen d'un système de double barres (2), les barres étant éventuellement séparées par une zone morte (Z).
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le premier fluide se réchauffe à une pression d'au moins 60 bars abs.
10. Procédé de démarrage d'un échangeur à plaques et à ailettes dans lequel en plein régime un premier fluide se réchauffe par échange de chaleur avec un deuxième fluide dans un échangeur à plaques et à ailettes, le premier fluide se réchauffant dans une première série de passages séparés et le deuxième fluide se refroidissant dans une deuxième série de passages séparés caractérisé en ce que chaque passage de la première série est séparé du passage le plus proche de la deuxième série par un passage auxiliaire contenant des ailettes et dans lequel pendant le démarrage un gaz inerte à une température inférieur à la température ambiante, éventuellement à température cryogénique, est envoyé à au moins un passage auxiliaire pour accélérer la mise en froid.
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