WO2017103535A1 - Procédé hybride de liquéfaction d'un gaz combustible et installation pour sa mise en œuvre - Google Patents

Procédé hybride de liquéfaction d'un gaz combustible et installation pour sa mise en œuvre Download PDF

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Denis FAURE-BRAC
Anna TORRES-MANSILLA
Emeline DROUET
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Definitions

  • the present invention relates generally to a method and a facility for liquefying a fuel gas with a high methane content.
  • the global problem that the present invention seeks to solve is to liquefy gas with a high methane content (at least 80 mol%), typically natural gas from the gas transmission or distribution network, biomethane or gas evaporation.
  • liquefied natural gas usually referred to as LNG.
  • the process must incorporate a large amount of coolants in intermediate cycles to achieve the desired cooling (ultimately, the total mass flow of the refrigerant mixtures used is about 8 times that of the coolant to be cooled ), and
  • the object of the present invention is therefore to overcome all or part of the disadvantages of the prior art, by setting up a hybrid process between on the one hand a process according to the Brayton cycle (or said relaxation) and on the other hand a conventional open cycle process.
  • the method according to the invention instead of using a conventional open cycle which uses the only refrigerating power of the vaporization of the cold medium (typically liquid nitrogen), the method according to the invention firstly proposes to compress the cold medium and then, initially, to use its vaporization as cooling power, and finally in a second time, to relax it to generate additional cold.
  • the subject of the present invention is a process for liquefying a fuel gas mainly comprising methane, in which the fuel gas circulates in a primary circuit from a source of combustible gas to a tank for liquefied gas, and a cooling mixture.
  • formed of liquid nitrogen or at least partially vaporized circulates in an open secondary circuit from a nitrogen tank to be released to the atmosphere, the method comprising the following phases:
  • a complete liquefaction phase during which the single stream of fuel gas leaving the cooling heat exchange zone is completely liquefied by cooling to a temperature T3 at least as low as bubble temperature of the fuel gas; this complete liquefaction phase being carried out in a liquefaction heat exchange zone comprising at least one heat exchanger;
  • a subcooling phase during which the liquefied fuel gas leaving the liquefaction heat exchange zone is sub-cooled from the temperature 3 to a subcooling temperature T 4 , this subcooling phase being carried out in a sub-cooling heat exchange zone comprising at least one thermal exchange heat exchanger with a flow of initially liquid nitrogen gas from the liquid nitrogen tank and flowing against the flow of fuel gas .
  • the flow sub-flow ⁇ 3 ⁇ 4 is injected into the heat exchanger of the liquefaction heat exchange zone in order to liquefy it completely and cool it to the temperature T3, by circulating the flow of at least partially vaporized nitrogen leaving the heat exchange sub-cooling zone;
  • the flow sub-flow m 4 is injected into an auxiliary heat exchanger of the liquefaction heat exchange zone in order to liquefy it completely and to cool it to the temperature T3, by circulating therein countercurrently with the gas fuel, the flow of nitrogen leaving the turbine;
  • the two fuel flow sub-flows of respective flow rates ⁇ 3 ⁇ 4 and m 4 respectively from each of the heat exchangers of the liquefaction heat exchange zone are brought together and reinjected into the d-zone; heat exchange sub-cooling.
  • nitrogen is understood to mean a fluid comprising at least 97 mol% of nitrogen.
  • heat exchanger means a subset or part of a heat exchange zone integrating the entire heat exchange line of the phase of the process of the invention.
  • a heat exchange zone is understood to mean a set of heat exchangers in which all the heat exchanges of a given phase of the process of the invention take place, namely, the melt. -cooling, liquefaction or subcooling.
  • heat exchange line means the succession of fluids exchanging heat with each other in the phase under consideration.
  • the overall principle of the process according to the invention is therefore to take advantage of both cooling by evaporation of the liquid nitrogen and its expansion. Therefore, this means, from a conceptual point of view, that the refrigerant (i.e. liquid or vaporized nitrogen will be used twice on a part of the heat exchange zone (this is on the same temperature range) But the nitrogen will not be in the same state during these two passages:
  • the refrigerant i.e. liquid or vaporized nitrogen
  • the two phases of redistribution of the fuel gas can be carried out under the following conditions:
  • the flow ⁇ 3 ⁇ 4 of the fuel gas sub-flow injected into the heat exchanger of the liquefaction heat exchange zone representing at least 60% of the initial flow rate m of fuel gas, and at most the value of ⁇ 3 ⁇ 4.
  • the liquid nitrogen from the liquid nitrogen tank can be pumped at a pressure of at least 1.2 MPa, depending on the nature of the fuel gas to be liquefied.
  • the stream of at least partially vaporized nitrogen at the outlet of the heat exchanger of the cooling heat exchange zone can be expanded in the turbine (preferably a pressure turbine) at an equal pressure. or less than 0.2 MPa (ie approximately
  • the gas to be liquefied may contain methane in a molar proportion of at least 80%.
  • the method according to the invention makes it possible to keep the advantages of a conventional open cycle by limiting its main disadvantage, namely its consumption of liquid nitrogen, and consequently the cost associated with this consumption.
  • a total absence of phenomena of the "sudden evaporation" type (usually referred to in English as "flash gas") during the final relaxation of the LNG because the LNG is under -cooled enough so that it does not generate steam (“flash”) during this final relaxation. This allows to save the economy of a recompression of gas.
  • abrupt evaporation is meant, in the sense of the present invention a partial vaporization in the liquid line (during relaxation), which occurs when the LNG under pressure (to facilitate its liquefaction) is expanded either by means of a valve Joule-Thomson, a liquid or even two-phase turbine.
  • the costs of developing or supplying non-consumable parts are moderate: in the absence of cold to be created by intermediate cycles (as in the case of closed cycles), the number of rotating machines to implement to operate the process according to the invention (compressor, turbine) is drastically reduced compared to conventional closed cycle processes, as well as the size of the exchange line.
  • OPEX operating costs
  • the subject of the present invention is also a liquefaction plant for a fuel gas for implementing the method according to the invention, this installation comprising a primary circuit connected to a source of combustible gas and to a tank for liquefied gas, a an open secondary circuit connected to a liquid nitrogen tank, and four heat exchange zones arranged in cascade for cooling and liquefying the fuel gas circulating in the primary circuit, each of the thermal zones being traversed by the primary and secondary circuits disposed in such a manner that the fuel gas and the nitrogen circulate there against the current according to the following configuration:
  • a heat exchange zone pre ⁇ cooling comprising at least one heat exchanger
  • a cooling heat exchange zone comprising a heat exchanger and an auxiliary exchanger, the cooling heat exchange zone being connected, in the primary circuit, to the heat exchange zone (100) of pre-cooling by
  • auxiliary heat exchanger in the liquefaction heat exchange zone
  • a turbine disposed in the secondary circuit between the outlet of the heat exchanger of the heat exchange zone and the inlet of the heat exchanger of the liquefaction heat exchange zone, to relax and cool the at least partially vaporized nitrogen leaving the heat exchanger of the cooling heat exchange zone before injecting it into the auxiliary heat exchanger of the a liquefaction heat exchange zone
  • the installation according to the invention has the advantage of being very compact thanks to the reduction of the inventory of cooling fluids (that is to say the quantity and the refrigerant mass flow rate) and the size and the number of rotating machines; this compactness thus allowing its mobility (on truck, barge, boat, train, etc.).
  • FIG. 1 represents a general block diagram of a preferred embodiment of the installation according to the invention, on which the arrangement of the various heat exchangers and of the fuel gas distribution zones has been represented;
  • FIG. 2 represents the same general block diagram as that represented in FIG. 1, showing in particular the different phases of the method of the invention
  • FIG. 3 represents a general block diagram of a plant according to the prior art comprising an open cycle with liquid nitrogen.
  • FIG. 3 is a device according to the prior art for implementing a method for liquefying a fuel gas known from the prior art operating with an open cycle with liquid nitrogen. This method serves as a point of comparison for the numerical simulations presented hereinafter in the examples.
  • FIG. 1 there is shown a general block diagram of a preferred embodiment of the installation according to the invention.
  • This installation comprises: a primary circuit 1 connected to a source 1 of combustible gas and a tank for liquefied gas),
  • an open secondary circuit 34 connected to a liquid nitrogen reservoir 3, and four heat exchange zones 100, 200, 300, 400 disposed in cascade for cooling and liquefying the fuel gas circulating in the primary circuit 12, each of the thermal zones 100, 200, 300, 400 being traversed by the primary circuits 12 and secondary 34 arranged so that the fuel gas and nitrogen circulate there against the current.
  • the heat exchange zones 100, 200, 300, 400 are distributed according to the following configuration:
  • FIG. 1 further shows that a turbine 22 (preferably a detent) is disposed in the secondary circuit 34, connecting the outlet of the heat exchanger 20 of the heat exchange zone 200 and the cooling inlet.
  • a turbine 22 preferably a detent
  • this turbine 33 can relax and cool the vaporized nitrogen leaving the heat exchanger 20 of the heat exchange zone 200 cooling, before its injection into the heat exchanger annex 31 of the heat exchange zone 300 of liquefaction.
  • FIG. 2 shows the implementation of the method according to the invention on the installation according to the invention shown in FIG. 1.
  • the various phases of the process of the invention have been indicated at the level of the heat exchangers where they are realized.
  • FIG. 2 shows in particular that the process according to the invention consists in liquefying a fuel gas comprising predominantly methane, by circulating it in a primary circuit I open from a source of combustible gas to a tank for liquefied gas 2, while a refrigerant mixture consisting of liquid nitrogen or at least partially vaporized circulates in a secondary circuit 34 open from a nitrogen reservoir 3 to be released to the atmosphere.
  • the initially completely liquid nitrogen, coming from the tank 3, is injected into the heat exchanger 40 of the heat exchange zone 400 of subcooling, in which it flows in counter-current flow of fuel gas. Then, in the subcooling zone 400, the nitrogen stream partially vaporizes. On leaving the zone 400, the partially vaporized nitrogen is injected into the heat exchanger 30 of the heat exchange zone 300 of liquefaction to liquefy a portion of the fuel gas stream, between 3 and T 2.
  • This step makes it possible to adjust at best the flow rate of fuel gas to be liquefied so as to optimize the process according to the invention, and to facilitate its technical implementation since then at T 2 , the nitrogen is totally vaporized, so that the exchangers involved ( exchangers 30 and 40) have purely monophasic input-output.
  • the completely vaporized nitrogen is, at the temperature T 2 , injected into the heat exchanger 20 of the cooling heat exchange zone 200, in which it circulates countercurrently with a part of the combustible gas which there is cooled between the temperature T1 of pre-cooling to the temperature T 2 of dew.
  • the nitrogen at a temperature close to ⁇ , is totally vaporized, but still at high pressure.
  • the vaporized nitrogen is then expanded in the expansion turbine 22 (typically from a pressure of 1.2 MPa to less than 0.2 MPa, the precise values depending on the fuel gas to be cooled).
  • This makes it possible to obtain a stream of nitrogen that is admittedly vaporized, but at a cryogenic temperature typically of the order of -160 ° C. (again the precise values depend on the case studied).
  • the nitrogen obtained is at a temperature well below 3 (which is the bubble temperature of the gas to be liquefied).
  • cold, completely vaporized, low pressure nitrogen is obtained which is used to liquefy the remainder of the fuel stream that has not been liquefied.
  • this phase 1000 of pre-cooling the fuel gas (initial m speed) is cooled to the ambient temperature T to a temperature pre ⁇ Ti cooling above the dew point 2 of the combustible gas, this stage of pre -cooling being performed by heat exchange with a stream of vaporized nitrogen and low pressure circulating countercurrent flow of fuel gas in the heat exchanger 10 of the heat exchange zone 100 of pre- cooling.
  • cooling phase 2000 the combustible gas, once divided into two sub-flows of flow rates mi and n3 ⁇ 4, is cooled from the pre-cooling temperature ⁇ to the dew point temperature 2 of the fuel gas.
  • cooling phase being carried out in the heat exchange zone 200 of cooling comprising the heat exchanger 20 and the exchanger annex 21, according to the following steps:
  • this complete liquefaction phase 3000 is carried out in the heat exchange zone 300 as follows:
  • the flow sub-flow ⁇ 3 ⁇ 4 is injected into the heat exchanger 30 of the liquefaction heat exchange zone 300 in order to liquefy it completely and cool it to the temperature T3, by circulating it in countercurrent. at least partially vaporized nitrogen flow exiting the heat exchange zone 400 subcooling;
  • the flow sub-flow m 4 is injected 3005 into the heat exchanger annex 31 of the liquefaction heat exchange zone 300 in order to liquefy it completely and cool it down to the temperature T3, by circulating there, against the current of the fuel gas, the flow of nitrogen leaving the turbine 22; at the temperature 3 of the fuel gas;
  • the two fuel flow sub-streams of respective flow rates ⁇ 3 ⁇ 4 and m 4 respectively from each of the heat exchangers 30, 31 of the liquefaction heat exchange zone 300 are brought together to reinject them into the heat exchange zone. 400 subcooling.
  • this phase 4000 the liquefied fuel gas leaving the liquefaction heat exchange zone 300 is sub-cooled from the temperature T3 to a subcooling temperature T 4 , this subcooling phase 4000 being performed in the heat exchange zone 400 subcooling comprising at least one heat exchanger 40 by heat exchange with the flow of nitrogen gas initially completely liquid circulating countercurrent flow of fuel gas.
  • the process according to the invention comprises 5 major process control parameters:

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de liquéfaction d'un gaz combustible à forte teneur en méthane, qui est un procédé hybride entre un procédé à détente et un procédé à cycle ouvert classique. Plus précisément, le procédé selon l'invention comprime en premier lieu le médium de froid puis, dans un premier temps, utilise sa vaporisation comme pouvoir refroidissant, et le détend dans un deuxième temps pour générer du froid supplémentaire. La présente invention concerne également un procédé permettant la mise en œuvre du procédé selon l'invention.

Description

PROCEDE HYBRIDE DE LIQUEFACTION D ' UN GAZ COMBUSTIBLE ET INSTALLATION POUR SA MISE EN ŒUVRE
La présente invention se rapporte de manière générale à un procédé et une installation de liquéfaction d'un gaz combustible à forte teneur en méthane.
Le problème global que cherche à résoudre la présente invention est de liquéfier du gaz à forte teneur en méthane (au moins 80% molaire) , typiquement du gaz naturel issu du réseau gazier de transport ou de distribution, du biométhane ou encore des évaporations de gaz naturel liquéfié (usuellement désigné par l'acronyme GNL) .
Pour cela, on cherche à réduire les coûts de mise en œuvre du processus de liquéfaction du gaz combustible en particulier pour des installations de petite taille (notamment inférieures à 10 tonnes de GNL produites par heure) , tout en conservant des coûts opérationnels modérés (notamment en termes de consommables) .
Pour résoudre un tel problème, il est connu de l'homme de l'art différentes solutions, que l'on peut regrouper en trois catégories :
1. les procédés à cycle fermé avec changement de phase du réfrigérant, ce dernier pouvant être un corps pur ou un mélange réfrigérant afin d'améliorer l'efficacité. On les utilise principalement pour une production de GNL à grande échelle (dite "baseload") , soit plusieurs dizaines à plusieurs centaines de tonnes/heure (t/h) de GNL produit, en station fixe. il s'agit notamment des procédés industriels suivants : le procédé TEALARC de Technip et Air Liquide, les procédés de l'APCI et notamment le C3-MR et l'APX, le procédé à cascade optimisée (en anglais « optimized cascade ») de Conoco Phillips, le procédé MFC de Statoil-Linde, les procédés de Linde, le procédé PRICO de Black and Veatch, et le procédé OSMR de LNG limited. Toutefois, ce type de procédés est désormais aussi proposé à plus petite échelle (c'est-à-dire des procédés produisant seulement quelques dizaines voire quelques tonnes/heure (t/h) de de GNL produit. C'est notamment le cas pour les procédés industriels suivants : le procédé BOC du groupe industriel Linde) pour la liquéfaction du biogaz, les procédés SCMR et PCMR de Kryopak, le procédé MRC de GTI, le procédé NewMR de Waertsila, le procédé SGTS pour la liquéfaction du biogaz, le procédé d'Erié pour la liquéfaction du biogaz, et enfin le procédé MiniLNG de SINTEF pour la liquéfaction des évaporations de GNL ;
les procédés à cycle fermé de Brayton ou à détente, c'est à dire sans changement de phase mais avec détente du réfrigérant pour créer le froid. En raison de leur simplicité technique, ces procédés sont utilisés :
• soit pour des productions de GNL de petite capacité. C'est le cas notamment pour le procédé d'Air Liquide pour la liquéfaction du biogaz, le procédé EXP de Kryopak, le procédé de Cryostar proposé à la fois pour la liquéfaction du biogaz et des évaporations de GNL,
• soit pour des situations techniquement difficiles où simplicité et robustesse l'emportent sur la performance énergétique (production « offshore » notamment, ou pour la reliquéfaction des évaporations de GNL) . C'est le cas notamment pour le procédé de Mustang, le procédé APX d'APCI, le procédé à plusieurs étapes de détente de SAIPEM et le procédé ZR-LNG de Gasconsult ;
3. les procédés à cycle ouvert, dans lequel le froid n'est pas créé mais apporté par un médium extérieur, typiquement de l'azote liquide, et où la liquéfaction du gaz naturel résulte d'un simple échange de chaleur (direct) avec le médium de froid qui se vaporise. Ce type de procédé est généralement utilisé en laboratoire ou pour des applications très ponctuelles ne nécessitant que très peu de performance et beaucoup de simplicité. C'est le cas notamment pour le procédé de Chart utilisant de l'azote liquide comme réfrigérant, actuellement utilisé en Asie du Sud-Est (notamment en Indonésie) , et pour le procédé direct d' Hamworthy-Wàrtsilà actuellement mis en œuvre dans la petite installation de liquéfaction de Skôldvik en Finlande produisant 55 tonnes par jour de GNL. Toutefois, ces dispositifs connus de l'art antérieur présentent de nombreux inconvénients.
Ainsi, les procédés à cycle fermé complet avec changement de phase du réfrigérant présentent les inconvénients suivants :
• des coûts de développement ou de fourniture des pièces non-consommables (coûts généralement désignés par l'acronyme CAPEX) élevés, en raison du nombre élevé d'équipements et de la complexité que nécessitent de tels procédés,
• il en est de même pour les coûts d'exploitation (généralement désignés par l'acronyme OPEX) ,
• la complexité de tels procédés et les risques encourus (le réfrigérant est généralement inflammable) ,
• la taille et l'encombrement importants des équipements pour la mise en œuvre de tels procédés, qui les rendent difficilement compacts : en effet, en plus du fluide à refroidir
(typiquement du gaz naturel) , le procédé doit intégrer une grande quantité de fluides de refroidissement dans des cycles intermédiaires pour obtenir le refroidissement souhaité (au final, le débit massique total des mélanges réfrigérants utilisé étant d'environ 8 fois celui du fluide à refroidir) , et
• les émissions de CO2 liés à la consommation de gaz lorsque celui-ci est utilisé pour l'appoint en énergie du procédé.
Par ailleurs, les procédés à cycle fermé complet de Brayton ou à détente présentent également des inconvénients, en partie identique avec ceux mentionnés ci-dessus pour les procédés avec changement de phase :
· des coûts élevés de développement ou de fourniture des pièces non-consommables (coûts CAPEX) et des coûts élevés d'exploitation (coûts OPEX) ,
• une performance énergétique faible, en d'autres termes une consommation d'énergie importante, · la taille et l'encombrement importants des équipements pour la mise en œuvre de tels procédés, qui les rendent difficilement compacts : ici également, en plus du fluide à refroidir (typiquement du gaz naturel) , le procédé doit intégrer une grande quantité de fluides de refroidissement dans des cycles intermédiaires pour obtenir le refroidissement souhaité. Compte-tenu de l'absence d ' évaporation, la quantité de réfrigérant est encore plus grande que dans le cas précédent (relatif aux procédés à cycle fermé complet avec changement de phase du réfrigérant) , le débit massique de réfrigérant équivaut cette fois à plusieurs dizaines de fois le débit massique de fluide à refroidir. · les émissions de CO2 liées à la consommation de gaz lorsque celui-ci est utilisé pour l'appoint en énergie du procédé.
Enfin, les procédés à cycle ouvert présentent des inconvénients liés principalement à leur rusticité et au cout d'approvisionnement du réfrigérant (qui est consommé du fait du cycle ouvert) .
Le but de la présente invention vise donc à pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur, par la mise en place d'un procédé hybride entre d'une part un procédé selon le cycle de Brayton (ou dit à détente) et d'autre part un procédé à cycle ouvert classique. Plus précisément, au lieu d'utiliser un cycle ouvert classique qui utilise le seul pouvoir frigorifique de la vaporisation du médium de froid (typiquement l'azote liquide), le procédé selon l'invention propose d'abord de comprimer le médium de froid puis, dans un premier temps, d'utiliser sa vaporisation comme pouvoir refroidissant, et enfin dans un deuxième temps, de le détendre pour générer du froid supplémentaire.
Plus particulièrement, la présente invention a pour objet un procédé de liquéfaction d'un gaz combustible comprenant majoritairement du méthane, dans lequel le gaz combustible circule dans un circuit primaire depuis une source de gaz combustible vers un réservoir pour gaz liquéfié, et un mélange réfrigérant constitué d'azote liquide ou au moins partiellement vaporisé circule dans un circuit secondaire ouvert depuis un réservoir d'azote pour être relâché vers l'atmosphère, le procédé comprenant les phases suivantes :
• une phase de pré-refroidissement au cours de laquelle le gaz combustible de débit initial m est refroidi de la température ambiante To à une température de pré¬ refroidissement Ti supérieure à la température de rosée 2 du gaz combustible, cette phase de pré¬ refroidissement étant réalisée par échange thermique avec un flux d'azote au moins partiellement vaporisé à basse pression circulant à contre-courant du flux de gaz combustible dans au moins un échangeur thermique d'une zone d'échange thermique de pré¬ refroidissement ;
• une première phase de redistribution du gaz combustible à la sortie de la zone d'échange thermique de pré-refroidissement, en deux sous-flux de débits respectifs η¾ et iri2=m-mi, cette première phase de redistribution étant réalisée dans une première zone de distribution intermédiaire, puis une phase de refroidissement au cours de laquelle le gaz combustible est refroidi depuis la température de pré-refroidissement ΤΊ jusqu'à la température de rosée 2 du gaz combustible (avec une marge de plus ou moins 10 °C autour de cette température de rosée selon la composition du gaz combustible) , cette phase de liquéfaction étant réalisée dans une zone d'échange thermique de refroidissement comprenant un échangeur thermique et un échangeur annexe, selon les étapes suivantes :
o injecter le sous-flux de débit η¾ dans l' échangeur thermique et le sous-flux de gaz de débit n¾ dans l' échangeur annexe, un flux d'azote au moins partiellement vaporisé circulant à contre-courant du flux de gaz combustible dans chacun des échangeurs de la zone d'échange thermique de refroidissement ;
o à la température de rosée 2 du gaz combustible, réunir en un seul flux de débit m les deux sous-flux de gaz combustible de débits respectifs η¾ et n¾ sortant respectivement de chacun des échangeurs de la zone d'échange thermique de refroidissement ;
une phase de liquéfaction complète au cours de laquelle le flux unique de gaz combustible sortant de la zone d'échange thermique de refroidissement est complètement liquéfié par refroidissement jusqu'à une température T3 au moins aussi basse que la température bulle du gaz combustible ; cette phase de liquéfaction complète étant réalisée dans une zone d'échange thermique de liquéfaction comprenant au moins un échangeur thermique ;
une phase de sous-refroidissement au cours de laquelle le gaz combustible liquéfié sortant de la zone d'échange thermique de liquéfaction est sous- refroidi de la température 3 jusqu'à une température de sous-refroidissement T4, cette phase de sous- refroidissement étant réalisée dans une zone d'échange thermique de sous-refroidissement comprenant au moins un échangeur thermique par échange thermique avec un flux d' azote gazeux initialement complètement liquide provenant du réservoir d'azote liquide et circulant à contre- courant du flux de gaz combustible.
Selon l'invention, le procédé comporte en outre : entre les phases de refroidissement et de liquéfaction complète, une deuxième phase de redistribution du flux de gaz combustible de débit m sortant de la zone d'échange thermique de refroidissement, en deux sous-flux de débits respectifs η¾ et m4=m-m3 ; cette deuxième phase de redistribution (2050) étant réalisée dans une deuxième zone de distribution intermédiaire (250) ; une étape supplémentaire consistant à détendre dans une turbine (de préférence une turbine à détente) le flux d'azote au moins partiellement vaporisé à la sortie de l' échangeur thermique de la zone d'échange thermique de refroidissement ; et • des étapes intermédiaires supplémentaires entre la température de rosée 2 du gaz combustible et la température T3, se déroulant comme suit :
o on injecte le sous-flux de débit η¾ dans l'échangeur thermique de la zone d'échange thermique de liquéfaction pour le liquéfier complètement et le refroidir jusqu'à la température T3, en y faisant circuler à contre-courant le flux d' azote au moins partiellement vaporisé sortant de la zone d'échange thermique de sous- refroidissement ;
o on injecte le sous-flux de débit m4 dans un échangeur thermique annexe de la zone d'échange thermique de liquéfaction pour le liquéfier complètement et le refroidir jusqu'à la température T3, en y faisant circuler, à contre-courant du gaz combustible, le flux d'azote sortant de la turbine ; et
o à la température 3 du gaz combustible, on réunit les deux sous-flux de gaz combustible de débits respectifs η¾ et m4 sortant respectivement de chacun des échangeurs thermiques de la zone d'échange thermique de liquéfaction, pour les réinjecter dans la zone d'échange thermique de sous-refroidissement.
Par azote, on entend, au sens de la présente invention, un fluide comportant au moins 97% molaire d' azote . Par échangeur thermique, on entend, au sens de la présente invention un sous-ensemble ou une partie d'une zone d'échange thermique intégrant la totalité de la ligne d'échange thermique de la phase considérée du procédé de l'invention.
Par zone d'échange thermique, on entend, au sens de la présente invention, un ensemble d' échangeurs thermiques dans laquelle se déroule l'ensemble des échanges thermiques d'une phase donnée du procédé de l'invention, à savoir, le pré-refroidissement, la liquéfaction ou le sous-refroidissement.
Par ligne d'échange thermique, on entend, au sens de la présente invention, la succession de fluides échangeant de la chaleur entre eux dans la phase considérée.
Le principe global du procédé selon l'invention est donc de tirer parti à la fois du refroidissement par évaporation de l'azote liquide et de sa détente. Par conséquent, cela signifie, d'un point de vue conceptuel, que le réfrigérant (c'est-à-dire l'azote liquide ou vaporisé va être utilisé deux fois sur une partie de la zone d'échange thermique (c'est-à-dire sur une même gamme de température) . Mais l'azote ne sera pas dans le même état lors de ces deux passages :
· une fois, il sera partiellement liquide et à haute pression,
• l'autre fois, il sera vaporisé et à basse pression .
En outre, à chaque fois, seule une partie du gaz naturel à traiter sera refroidi. De manière avantageuse, les deux phases de redistribution du gaz combustible pourront être réalisées dans les conditions suivantes :
le débit η¾ du sous-flux de gaz combustible injecté dans l'échangeur thermique de la zone d'échange thermique de refroidissement représentant au moins
80%, et de préférence CLU. moins 85"6 du débit initial m de gaz ; et
le débit η¾ du sous-flux de gaz combustible injecté dans l'échangeur thermique de la zone d'échange thermique de liquéfaction représentant au moins 60% du débit initial m de gaz combustible, et au plus la valeur de η¾ .
De manière avantageuse, l'azote liquide provenant du réservoir d'azote liquide pourra être pompé à une pression d'au moins 1,2 MPa, en fonction de la nature du gaz combustible à liquéfier.
De manière avantageuse, le flux d'azote au moins partiellement vaporisé à la sortie de l'échangeur thermique de la zone d'échange thermique de refroidissement peut être détendu, dans la turbine (de préférence une turbine à détente) , à une pression égale ou inférieure à 0,2 MPa (c'est à dire approximativement à
2 bars) .
De manière avantageuse, dans le cadre de la présente invention le gaz à liquéfier pourra contenir du méthane en une proportion molaire d'au moins 80%.
Le procédé selon l'invention permet de garder les avantages d'un cycle ouvert classique en limitant son principal inconvénient, à savoir sa consommation de d'azote liquide, et par conséquent le coût associé à cette consommation. Enfin, on observe, dans le procédé selon l'invention, une absence totale de phénomènes de type « évaporation brusque » (usuellement désignés en anglais par l'expression « flash gas ») lors de la détente finale du GNL car le GNL est sous-refroidi suffisamment pour qu' il ne génère pas de vapeur (« flash ») lors de cette détente finale. Cela permet de faire ainsi l'économie d'une recompression du gaz.
Par évaporation brusque, on entend, au sens de la présente invention une vaporisation partielle dans la ligne liquide (durant la détente) , qui survient lorsque le GNL sous pression (pour faciliter sa liquéfaction) est détendu soit à l'aide d'une vanne Joule-Thomson, soit une turbine liquide ou même diphasique.
Par ailleurs, les coûts de développement ou de fourniture des pièces non-consommables (coûts CAPEX) sont modérés : en l'absence de froid à créer par des cycles intermédiaires (comme dans le cas de cycles fermés) , le nombre de machines tournantes à mettre en œuvre pour faire fonctionner le procédé selon l'invention (compresseur, turbine) est drastiquement réduit par rapport aux procédés à cycle fermé classiques, ainsi que la taille de la ligne d'échange.
Il en est de même pour les coûts d'exploitation (généralement désignés par l'acronyme OPEX) . Les coûts OPX sont modérés car la mise en œuvre du procédé selon l'invention ne nécessite qu'un nombre peu élevé de machines tournantes de type compresseurs ou turbines. Les coûts de maintenance associés sont donc « mécaniquement » réduits : la consommation d'azote liquide par le procédé selon l'invention est réduite de 10% environ par rapport à un cycle ouvert classique, d'où une réduction similaire de l'OPEX associé.
La présente invention a également pour objet une installation de liquéfaction d'un gaz combustible pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention, cette installation comprenant un circuit primaire relié à une source de gaz combustible et à un réservoir pour gaz liquéfié, un circuit secondaire ouvert relié à un réservoir d'azote liquide, et quatre zones d'échange thermiques disposées en cascade pour refroidir et liquéfier le gaz combustible circulant dans le circuit primaire, chacune des zones thermiques étant traversée par les circuits primaire et secondaire disposés de manière que le gaz combustible et l'azote y circulent à contre-courant selon la configuration suivante :
une zone d'échange thermique de pré¬ refroidissement comprenant au moins un échangeur thermique,
une zone d'échange thermique de refroidissement comprenant un échangeur thermique et un échangeur annexe, la zone d'échange thermique de refroidissement étant reliée, dans le circuit primaire, à la zone d'échange thermique (100) de pré-refroidissement par
- une première zone de distribution intermédiaire apte à distribuer, à la sortie de la zone d'échange thermique de pré-refroidissement, le gaz combustible en deux sous-flux de débits respectifs η¾ et iri2=m-mi, et à les injecter respectivement dans l' échangeur thermique (20) et l' échangeur annexe de la zone d'échange thermique de refroidissement, une zone d'échange thermique de liquéfaction comprenant au moins un échangeur thermique, et une zone d'échange thermique de sous- refroidissement comprenant au moins un échangeur thermique,
l'installation étant caractérisée en ce qu'elle comporte en outre :
un échangeur thermique annexe dans la zone d'échange thermique de liquéfaction, une turbine disposée, dans le circuit secondaire, entre la sortie de l' échangeur thermique de la zone d'échange thermique de refroidissement et l'entrée de l' échangeur thermique annexe de la zone d'échange thermique de liquéfaction, pour y détendre et refroidir l'azote au moins partiellement vaporisé sortant de l' échangeur thermique de la zone d'échange thermique de refroidissement avant de l'injecter dans l' échangeur thermique annexe de la zone d'échange thermique de liquéfaction , une deuxième zone de distribution intermédiaire reliant, dans le circuit primaire, les zones d'échange thermique de refroidissement et de liquéfaction, la deuxième zone de distribution intermédiaire étant apte à réunir en un seul flux les deux sous-flux de gaz combustible sortant des échangeurs thermiques de la zone d'échange thermique de refroidissement et à les redistribuer en deux autres sous-flux de gaz combustible de débits respectifs η¾ et m4=m-m3 pour les injecter respectivement dans l' échangeur thermique et l' échangeur thermique annexe de la zone d'échange thermique de liquéfaction, l'azote détendu et refroidi provenant de la turbine circulant dans l'échangeur thermique annexe à contre-courant du sous-flux de gaz de débit m4.
L'installation selon l'invention présente l'avantage d'être très compacte grâce à la réduction de l'inventaire des fluides de refroidissement (c'est-à-dire la quantité et le débit massique de fluide réfrigérant) et de la taille et du nombre de machines tournantes ; cette compacité permettant donc sa mobilité (sur camion, barge, bateau, train, etc.) .
D' autres avantages et particularités de la présente invention résulteront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures annexées :
• la figure 1 représente un schéma de principe général d'un mode de réalisation préférentiel de l'installation selon l'invention, sur lequel on a représenté l'agencement des différents échangeurs thermiques et des zones de distribution du gaz combustibles ;
• la figure 2 représente le même schéma de principe général que celui représenté sur la figure 1, montrant en particulier les différentes phases du procédé de l'invention,
• la figure 3 représente un schéma de principe général d'une installation selon l'art antérieur comportant un cycle ouvert à l'azote liquide .
Les éléments identiques représentés sur les figures 1 et 2 sont identifiés par des références numériques identiques . La figure 3 est un dispositif selon l'art antérieur permettant la mise en œuvre d'un procédé de liquéfaction d'un gaz combustible connu de l'art antérieur fonctionnant avec un cycle ouvert à l'azote liquide. Ce procédé sert de point de comparaison pour les simulations numériques présentées ci-après dans les exemples.
Sur la figure 1, on a représente un schéma de principe général d'un mode de réalisation préférentiel de l'installation selon l'invention. Cette installation comprend : un circuit primaire 1 relié à une source 1 de gaz combustible et à un réservoir pour gaz liquéfié) ,
un circuit secondaire 34 ouvert relié à un réservoir d'azote liquide 3, et quatre zones d'échange thermiques 100, 200, 300, 400 disposées en cascade pour refroidir et liquéfier le gaz combustible circulant dans le circuit primaire 12, chacune des zones thermiques 100, 200, 300, 400 étant traversée par les circuits primaire 12 et secondaire 34 disposés de manière que le gaz combustible et l'azote y circulent à contre- courant .
Les zones d'échange thermique 100, 200, 300, 400 sont réparties selon la configuration suivante :
une zone d'échange thermique 100 de pré- refroidissement comprenant au moins un échangeur thermique 10, une zone d'échange thermique 200 de refroidissement comprenant un échangeur thermique 20 et un échangeur annexe 21, la zone d'échange thermique 200 de refroidissement étant reliée, dans le circuit primaire 12, à la zone d'échange thermique 100 de pré-refroidissement par une première zone de distribution intermédiaire 150 apte à distribuer, à la sortie de la zone d'échange thermique 100 de pré-refroidissement, le gaz combustible en deux sous-flux de débits respectifs η¾ et iri2=m-mi, et à les injecter respectivement dans l'échangeur thermique 20 et l'échangeur annexe 21 de la zone d'échange thermique 200 de refroidissement, une zone d'échange thermique 300 de liquéfaction comprenant au moins un échangeur thermique 30 et un échangeur thermique annexe 31, et une deuxième zone de distribution intermédiaire 250 reliant, dans le circuit primaire 12, les zones d'échange thermique 200 de refroidissement et 300 de liquéfaction. Cette deuxième zone de distribution intermédiaire 250 est apte à réunir en un seul flux les deux sous-flux de gaz combustible sortant des échangeurs thermiques 20, 21 de la zone d'échange thermique 200 de refroidissement et à les redistribuer en deux autres sous-flux de gaz combustible de débits respectifs η¾ et m4=m-m3 pour les injecter respectivement dans l'échangeur thermique 30 et l'échangeur thermique annexe 31 de la zone d'échange thermique 300 de liquéfaction, l'azote détendu et refroidi provenant de la turbine 22 circulant dans l'échangeur thermique annexe 31 à contre-courant du sous-flux de gaz de débit m4.
La figure 1 montre en outre qu'une turbine 22 (de préférence à détente) est disposée, dans le circuit secondaire 34, reliant la sortie de l'échangeur thermique 20 de la zone d'échange thermique 200 de refroidissement et l'entrée de l'échangeur thermique annexe 31 de la zone d'échange thermique 300 de liquéfaction, cette turbine 33 permet de détendre et refroidir l'azote vaporisé sortant de l'échangeur thermique 20 de la zone d'échange thermique 200 de refroidissement, avant son injection dans l'échangeur thermique annexe 31 de la zone d'échange thermique 300 de liquéfaction.
La figure 2 montre la mise en œuvre du procédé selon l'invention sur l'installation selon l'invention représentée sur la figure 1. Pour cela, on a indiqué les différentes phases du procédé de l'invention au niveau des échangeurs thermiques où elles sont réalisées.
La figure 2 montre en particulier que le procédé selon l'invention consiste à liquéfier un gaz combustible comprenant majoritairement du méthane, en le faisant circuler dans un circuit primaire I ouvert depuis une source de gaz combustible vers un réservoir pour gaz liquéfié 2, tandis qu' un mélange réfrigérant constitué d'azote liquide ou au moins partiellement vaporisé circule dans un circuit secondaire 34 ouvert depuis un réservoir d'azote 3 pour être relâché vers l'atmosphère.
Les différentes étapes du procédé selon l'invention sont détaillées ci-après, selon que l'on examine la circulation de l'azote dans le circuit secondaire 34 ou la circulation du gaz combustible à traiter dans le circuit primaire 12 :
A. Circulation de l'azote dans le circuit secondaire 34. · étape préliminaire (avant échange thermique) : on pompe l'azote liquide contenu dans le réservoir d'azote liquide 3 à une pression typiquement de 1,2 MPa (12 bars) (mais une pression plus élevée est possible, par exemple 20 voire 30 bars, en fonction de la nature du gaz naturel à liquéfier) .
· Vaporisation de l'azote liquide :
L'azote initialement complètement liquide, en provenance du réservoir 3, est injecté dans l'échangeur thermique 40 de la zone d'échange thermique 400 de sous- refroidissement, dans lequel il circule à contre-courant du flux de gaz combustible. Puis, dans la zone 400 de sous-refroidissement, le flux d'azote se vaporise partiellement. A la sortie de la zone 400, l'azote partiellement vaporisé est injecté dans l'échangeur 30 de la zone d'échange thermique 300 de liquéfaction pour liquéfier une partie du flux de gaz combustible, entre 3 et T2. Cette étape permet d'ajuster au mieux le débit de gaz combustible à liquéfier pour optimiser le procédé selon l'invention, et faciliter sa mise en œuvre technique car alors à T2, l'azote est totalement vaporisé si bien que les échangeurs impliqués (échangeurs 30 et 40) ont des entrées-sorties purement monophasiques .
Puis, l'azote complètement vaporisé est, à la température T2, injecté dans l'échangeur thermique 20 de la zone d'échange thermique de refroidissement 200, dans lequel il circule à contre-courant d'une partie du gaz combustible qui y est refroidi entre la température Tl de pré-refroidissement jusqu'à la température T2 de rosée. A la sortie de l'échangeur thermique 20, l'azote, à une température proche de ΤΊ, est totalement vaporisé, mais toujours à haute pression. • Détente de l'azote liquide vaporisé :
On détend ensuite l'azote vaporisé dans la turbine de détente 22 (typiquement d'une pression de 1,2 MPa à moins de 0,2 MPa, les valeurs précises dépendant du gaz combustible à refroidir) . Cela permet d'obtenir un flux d'azote certes vaporisé, mais à une température cryogénique typiquement de l'ordre de -160°C (là encore les valeurs précises dépendent du cas étudié) . Autrement dit, l'azote obtenu est à une température bien inférieure à 3 (qui est la température bulle du gaz à liquéfier) . Ainsi, on obtient de l'azote froid, complètement vaporisé et à basse pression, que l'on utilise pour liquéfier le reste du flux de combustible qui n'a pas été liquéfié. D'un point de vue conceptuel : c'est cette étape (qu'on peut qualifier de "soulagement" du seul refroidissement du gaz combustible par vaporisation d'azote liquide) qui permet d'économiser la quantité d'azote liquide globale. B . Circulation du gaz combustible à traiter dans le circuit primaire 12.
• phase de pré-refroidissement 1000
Au cours de cette phase 1000 de pré-refroidissement, le gaz combustible (de débit initial m) est refroidi de la température ambiante To à une température de pré¬ refroidissement Ti supérieure à la température de rosée 2 du gaz combustible, cette phase de pré-refroidissement étant réalisée par échange thermique avec un flux d'azote vaporisé et à basse pression circulant à contre-courant du flux de gaz combustible dans l'échangeur thermique 10 de la zone d'échange thermique 100 de pré- refroidissement .
• première phase de redistribution 1050
A la sortie de la zone d'échange thermique 10 de pré-refroidissement, le gaz combustible à liquéfier est réparti en deux sous-flux de débits respectifs η¾ et iri2=m-mi , cette première phase de redistribution 1050 étant réalisée dans une première zone de distribution intermédiaire 150.
• phase de refroidissement 2000
Au cours de cette phase de refroidissement 2000, le gaz combustible, une fois réparti en deux sous-flux de débits mi et n¾, est refroidi depuis la température de pré-refroidissement ΤΊ jusqu'à la température de rosée 2 du gaz combustible, cette phase de refroidissement étant réalisée dans la zone d'échange thermique 200 de refroidissement comprenant l'échangeur thermique 20 et l'échangeur annexe 21, selon les étapes suivantes :
o injection 2001 du sous-flux de gaz combustible de débit η¾ dans l'échangeur thermique 20 et injection 2002 du sous-flux de gaz de débit n¾ dans l'échangeur annexe 21, un flux vaporisé circulant à contre- courant du flux de gaz combustible dans chacun des échangeurs (20, 21) de la zone d'échange thermique (200) de refroidissement ;
o à la température de rosée 2 du gaz combustible, réunion 2003 en un seul flux de débit m des deux sous-flux de gaz combustible de débits respectifs η¾ et n¾ sortant respectivement de chacun des échangeurs 20, 21 de la zone d'échange thermique 200 de refroidissement. · deuxième phase de redistribution 2050
Au cours de cette phase, le flux de gaz combustible de débit m sortant de la zone d'échange thermique 200 de refroidissement, est redistribué en deux sous-flux de débits respectifs η¾ et m4=m-m3, cette deuxième phase de redistribution 2050 étant réalisée dans une deuxième zone de distribution intermédiaire 250.
• phase de liquéfaction complète 3000
Au cours de cette phase de liquéfaction 3000, le gaz combustible réparti en deux sous-flux de débits respectifs η¾ et m4 est complètement liquéfié par refroidissement jusqu'à une température 3 au moins aussi basse que la température bulle du gaz combustible. Cette phase de liquéfaction complète 3000 est réalisée dans la zone d'échange thermique 300 comme suit :
• on injecte 3004 le sous-flux de débit η¾ dans l'échangeur thermique 30 de la zone d'échange thermique 300 de liquéfaction pour le liquéfier complètement et le refroidir jusqu'à la température T3, en y faisant circuler à contre- courant le flux d'azote au moins partiellement vaporisé sortant de la zone d'échange thermique 400 de sous-refroidissement ;
• on injecte 3005 le sous-flux de débit m4 dans l'échangeur thermique annexe 31 de la zone d'échange thermique 300 de liquéfaction pour le liquéfier complètement et le refroidir jusqu'à la température T3, en y faisant circuler, à contre-courant du gaz combustible, le flux d'azote sortant de la turbine 22 ; à la température 3 du gaz combustible ;
· on réunit 3006 les deux sous-flux de gaz combustible de débits respectifs η¾ et m4 sortant respectivement de chacun des échangeurs thermiques 30, 31 de la zone d'échange thermique 300 de liquéfaction, pour les réinjecter dans la zone d'échange thermique 400 de sous-refroidissement.
• Détente 2004 de l'azote liquide vaporisé :
Puis, on détend 2004 dans une turbine 22 le flux d'azote au moins partiellement vaporisé à la sortie de l'échangeur thermique 20 de la zone d'échange thermique 200 de refroidissement ; et on réinjecte l'azote vaporisé et détendu dans l'échangeur thermique annexe 31. · Phase de sous-refroidissement 4000
Au cours de cette phase 4000, le gaz combustible liquéfié, sortant de la zone d'échange thermique 300 de liquéfaction, est sous-refroidi de la température T3 jusqu'à une température de sous-refroidissement T4, cette phase de sous-refroidissement 4000 étant réalisée dans la zone d'échange thermique 400 de sous-refroidissement comprenant au moins un échangeur thermique 40 par échange thermique avec le flux d'azote gazeux initialement complètement liquide circulant à contre-courant du flux de gaz combustible.
Sur cette étape, tout le gaz combustible est, par définition déjà liquéfié, et on cherche à le sous refroidir encore ; sur cette étape la totalité du flux de GNL est sous-refroidi par le flux d'azote liquide haute pression qui se vaporise partiellement pour réaliser sa tâche .
Au final, le procédé selon l'invention comporte 5 grands paramètres de pilotage du procédé :
• le débit d'azote liquide mN2,
• la pression de pompage de l'azote liquide PN2HP, la détente de l'azote totalement vaporisé et donc sa pression en fin de détente PN2BP, et les deux phases de répartition 1050 et 2050 du débit de gaz combustible d'une part entre les phases de pré¬ refroidissement et d'autre part entre les phases de refroidissement et de liquéfaction.
EXEMPLES
Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée. Il s'agit de simulations numériques réalisée à l'aide de l'outil de simulation aspen hysys V7.3 sur la base du modèle thermodynamique SRK LK -1 (Soave Redlich-Kwong Lee Kesler 1) . Ces simulations ont permis de calculer les paramètres suivants :
· la puissance mécanique utilisée par le procédé en kW ;
• la consommation spécifique en kWh/t de GNL produit (ratio de la puissance mécanique et du débit massique de GNL produit) ;
· le ratio massique d'azote liquide utilisé par rapport au GNL produit d'azote liquide ;
• le gain de consommation d'énergie par rapport au procédé connu de l'art antérieur avec un cycle ouvert à l'azote liquide ;
par comparaison avec les résultats que l'on obtiendrait avec un procédé connu selon l'art antérieur comportant un cycle ouvert à l'azote liquide tel qu'illustré à la figure 3 :
Ces simulations numériques ont été réalisées dans les conditions suivantes :
• Gaz d'entrée (gaz combustible à refroidir) :
o Pression : 48 bar
o Température : 30 °C
o Débit massique : 10,18 t/h
o Composition (% molaire) :
N2 : 0,79%
Ci : 91,21%
C2 : 7,89%
C3 : 0,11%
C4+ :0
Température minimale de refroidissement du réfrigérant avec le milieu ambiant : 30°C
Hypothèses de rendement polytropique de compresseur : 85%
Température de sous-refroidissement du GNL : -158°C.
Les résultats des simulations sont présentés dans tableau 1 ci-après : Tableau 1
Figure imgf000028_0001
Ces résultats montrent que, par rapport à un procédé à cycle ouvert simple à l'azote liquide, le procédé selon l'invention permet de réduire la consommation d'azote liquide de presque 10%, ce qui constitue la principale source de coûts opérationnels d'un procédé à cycle ouvert .

Claims

REVEND I CAT I ONS
1. Procédé de liquéfaction d'un gaz combustible comprenant majoritairement du méthane, dans lequel ledit gaz combustible circule dans un circuit primaire (12) depuis une source de gaz combustible (1) vers un réservoir pour gaz liquéfié (2), et un mélange réfrigérant constitué d'azote liquide ou au moins partiellement vaporisé circule dans un circuit secondaire (34) ouvert depuis un réservoir d'azote (3) pour être relâché vers l'atmosphère (4), ledit procédé comprenant les phases suivantes :
• une phase de pré-refroidissement (1000) au cours de laquelle le gaz combustible de débit initial m est refroidi de la température ambiante ΪΌ à une température de pré-refroidissement ΤΊ supérieure à la température de rosée T2 du gaz combustible, cette phase de pré-refroidissement étant réalisée par échange thermique avec un flux d'azote vaporisé à basse pression circulant à contre-courant du flux de gaz combustible dans au moins un échangeur thermique (10) d'une zone d'échange thermique (100) de pré¬ refroidissement ;
• une première phase de redistribution (1050) du gaz combustible à la sortie de la zone d'échange thermique (100) de pré-refroidissement, en deux sous- flux de débits respectifs η¾ et iri2=m-mi , cette première phase de redistribution (1050) étant réalisée dans une première zone de distribution intermédiaire (150), puis
• une phase de refroidissement (2000) au cours de laquelle le gaz combustible est refroidi depuis la température de pré-refroidissement ΤΊ jusqu'à la température de rosée 2 du gaz combustible, cette phase de refroidissement étant réalisée dans une zone d'échange thermique (200) de refroidissement comprenant un échangeur thermique (20) et un échangeur annexe (21), selon les étapes suivantes :
o injecter (2001) le sous-flux de débit η¾ dans l' échangeur thermique (20) et injecter (2002) le sous-flux de gaz de débit n¾ dans l' échangeur annexe (21), un flux d'azote au moins partiellement vaporisé circulant à contre-courant du flux de gaz combustible dans chacun des échangeurs (20, 21) de la zone d'échange thermique (200) de refroidissement ;
o à la température de rosée 2 du gaz combustible, réunir (2003) en un seul flux de débit m les deux sous-flux de gaz combustible de débits respectifs η¾ et n¾ sortant respectivement de chacun des échangeurs (20, 21) de la zone d'échange thermique (200) de refroidissement ;
une phase de liquéfaction complète (3000) au cours de laquelle le flux unique de gaz combustible sortant de la zone d'échange thermique (200) de refroidissement est complètement liquéfié par refroidissement jusqu'à une température T3 au moins aussi basse que la température bulle du gaz combustible ; cette phase de liquéfaction complète (3000) étant réalisée dans une zone d'échange thermique (300) de liquéfaction comprenant au moins un échangeur thermique (30) ; • une phase de sous-refroidissement (4000) au cours de laquelle le gaz combustible liquéfié sortant de la zone d'échange thermique (300) de liquéfaction est sous-refroidi de la température 3 jusqu'à une température de sous-refroidissement T4, cette phase de sous-refroidissement (4000) étant réalisée dans une zone d'échange thermique (400) de sous- refroidissement comprenant au moins un échangeur thermique (40) par échange thermique avec un flux d'azote gazeux initialement complètement liquide provenant du réservoir d'azote liquide (3) et circulant à contre-courant du flux de gaz combustible ;
ledit procédé étant caractérisé en ce qu' il comporte en outre, entre les phases de refroidissement (2000) et de liquéfaction complète (3000), une deuxième phase de redistribution (2050) du flux de gaz combustible de débit m sortant de la zone d'échange thermique (200) de refroidissement, en deux sous-flux de débits respectifs η¾ et m4=m-m3 ; cette deuxième phase de redistribution (2050) étant réalisée dans une deuxième zone de distribution intermédiaire (250) ; et
en ce que ledit procédé comporte une étape supplémentaire consistant à détendre (2004) dans une turbine (22) le flux d'azote vaporisé à la sortie de 1' échangeur thermique (20) de la zone d'échange thermique (200) de refroidissement ; puis on réinjecte l'azote vaporisé et détendu dans l' échangeur thermique annexe 31 ; et
en ce que la phase de liquéfaction complète
(3000) comprend en outre des étapes intermédiaires supplémentaires (3004, 3005, 3006, 3007) entre la température de rosée 2 du gaz combustible et la température T3 :
• on injecte (3004) le sous-flux de débit η¾ dans l'échangeur thermique (30) de la zone d'échange thermique (300) de liquéfaction pour le liquéfier complètement et le refroidir jusqu'à la température T3, en y faisant circuler à contre-courant le flux d'azote au moins partiellement vaporisé sortant de la zone d'échange thermique (400) de sous- refroidissement ;
• on injecte (3005) le sous-flux de débit m4 dans un échangeur thermique annexe (31) de la zone d'échange thermique (300) de liquéfaction pour le liquéfier complètement et le refroidir jusqu'à la température T3, en y faisant circuler, à contre-courant du gaz combustible, le flux d'azote sortant de la turbine (22) ;
• à la température 3 du gaz combustible, on réunit (3006) les deux sous-flux de gaz combustible de débits respectifs η¾ et m4 sortant respectivement de chacun des échangeurs thermiques (30, 31) de la zone d'échange thermique (300) de liquéfaction, pour les réinjecter dans la zone d'échange thermique (400) de sous-refroidissèment .
2. Procédé selon la revendication 1, selon lequel : le débit η¾ du sous-flux de gaz combustible injecté dans l'échangeur thermique (20) de la zone d'échange thermique (200) de refroidissement représente au moins 80%, et de préférence CLU. moins 85"6 du débit initial m de gaz combustible ; et le débit η¾ du sous-flux de gaz combustible injecté dans l'échangeur thermique (30) de la zone d'échange thermique (300) de liquéfaction représente au moins
60% débit initial m de gaz combustible, plus la valeur de η¾ .
3. Procédé selon les revendications 1 ou 2, selon lequel l'azote liquide provenant du réservoir d'azote liquide (3) est pompé à une pression d'au moins 1,2 MPa.
4. Procédé selon la revendication 1, selon lequel le flux d'azote au moins partiellement vaporisé à la sortie de l'échangeur thermique (20) de la zone d'échange thermique (200) de refroidissement est détendu, dans la turbine (22), à une pression égale ou inférieure à 0,2 MPa.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le gaz à liquéfier contient du méthane en une proportion molaire d'au moins 80%.
6. Installation de liquéfaction d'un gaz combustible pour la mise en œuvre du procédé tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, ladite installation comprenant un circuit primaire (12) relié à une source (1) de gaz combustible et à un réservoir pour gaz liquéfié (2), un circuit secondaire (34) ouvert relié à un réservoir d'azote liquide (3), et quatre zones d'échange thermiques (100, 200, 300, 400) disposées en cascade pour refroidir et liquéfier le gaz combustible circulant dans le circuit primaire (12), chacune desdites zones thermiques (100, 200, 300, 400) étant traversée par les circuits primaire (12) et secondaire (34) disposés de manière que le gaz combustible et l'azote y circulent à contre-courant selon la configuration suivante :
une zone d'échange thermique (100) de pré¬ refroidissement comprenant au moins un échangeur thermique (10),
une zone d'échange thermique (200) de refroidissement comprenant un échangeur thermique (20) et un échangeur annexe (21), la zone d'échange thermique (200) de refroidissement étant reliée, dans le circuit primaire (12), à la zone d'échange thermique (100) de pré-refroidissement par
une première zone de distribution intermédiaire (150) apte à distribuer, à la sortie de la zone d'échange thermique (100) de pré¬ refroidissement, le gaz combustible en deux sous-flux de débits respectifs η¾ et iri2=m-mi, et à les injecter respectivement dans l' échangeur thermique (20) et l' échangeur annexe (21) de la zone d'échange thermique (200) de refroidissement,
une zone d'échange thermique (300) de liquéfaction comprenant au moins un échangeur thermique (30), et
une zone d'échange thermique (400) de sous- refroidissement comprenant au moins un échangeur thermique (40),
ladite installation étant caractérisée en ce qu'elle comporte en outre :
un échangeur thermique annexe (31) dans la zone d'échange thermique (300) de liquéfaction, une turbine (22) disposée, dans le circuit secondaire (34), entre la sortie de l'échangeur thermique (20) de la zone d'échange thermique
(200) de refroidissement et l'entrée de l' échangeur thermique annexe (31) de la zone d'échange thermique (300) de liquéfaction, pour y détendre et refroidir l'azote au moins partiellement vaporisé sortant de l'échangeur thermique (20) de la zone d'échange thermique
(200) de refroidissement avant de l'injecter dans l'échangeur thermique annexe (31) de la zone d'échange thermique (300) de liquéfaction, une deuxième zone de distribution intermédiaire
(250) reliant, dans le circuit primaire (12), les zones d'échange thermique (200) de refroidissement et (300) de liquéfaction, la deuxième zone de distribution intermédiaire
(250) étant apte à réunir en un seul flux les deux sous-flux de gaz combustible sortant des échangeurs thermiques (20, 21) de la zone d'échange thermique (200) de refroidissement et à les redistribuer en deux autres sous-flux de gaz combustible de débits respectifs η¾ et m4=m-m3 pour les injecter respectivement dans l'échangeur thermique (30) et l'échangeur thermique annexe (31) de la zone d'échange thermique (300) de liquéfaction, l'azote détendu et refroidi provenant de la turbine
(22) circulant dans l'échangeur thermique annexe (31) à contre-courant du sous-flux de gaz de débit m4.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1335277A (fr) * 1961-09-29 1963-08-16 Conch Int Methane Ltd Liquéfaction du gaz naturel
US3224207A (en) * 1962-02-12 1965-12-21 Conch Int Methane Ltd Liquefaction of gases
DE1960515B1 (de) * 1969-12-02 1971-05-27 Linde Ag Verfahren und Vorrichtung zum Verfluessigen eines Gases
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Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1335277A (fr) * 1961-09-29 1963-08-16 Conch Int Methane Ltd Liquéfaction du gaz naturel
US3224207A (en) * 1962-02-12 1965-12-21 Conch Int Methane Ltd Liquefaction of gases
DE1960515B1 (de) * 1969-12-02 1971-05-27 Linde Ag Verfahren und Vorrichtung zum Verfluessigen eines Gases
WO2009007439A2 (fr) * 2007-07-12 2009-01-15 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Procédé et appareil pour liquéfier un courant gazeux d'hydrocarbure

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BACH W: "OFFSHORE ERDGASVERFLUSSIGUNG MIT STICKSTOFFKALTE - PROZESSAUSLEGUNGUND VERGLEICH VON GEWICKELTEN ROHR- UND PLATTENWARMETAUSCHERN", BERICHTE AUS TECHNIK UND WISSENSCHAFT, LINDE AG. WIESBADEN, DE, no. 64, 1 January 1990 (1990-01-01), pages 31 - 37, XP000114322, ISSN: 0942-332X *

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