WO2017103536A1 - Hybrid method for liquefying a fuel gas and facility for implementing same - Google Patents

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Laurent Benoit
Denis FAURE-BRAC
Anna TORRES-MANSILLA
Emeline DROUET
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Abstract

The present invention relates to a method for liquefying a methane-based fuel gas, which comprises a pre-cooling and liquefaction phase, in which fuel gas is cooled and liquefied between ambient temperature T0 and a temperature T2 at least as low as the bubble-point temperature of the gas by exchange of heat with a main flow of refrigerant mixture circulating countercurrent-wise with respect to the gas in a first heat exchanger, and a sub-cooling phase in which the liquefied gas is sub-cooled from the temperature T2 down to a sub-cooling temperature T3, by exchange of heat with a flow of initially liquid gaseous nitrogen circulating in a third open circuit, countercurrent-wise with respect to the flow of fuel gas. The present invention also relates to a liquefaction facility for implementing the method according to the invention.

Description

PROCEDE HYBRIDE DE LIQUEFACTION D ' UN GAZ COMBUSTIBLE ET INSTALLATION POUR SA MISE EN ŒUVRE  HYBRID PROCESS FOR THE LIQUEFACTION OF A COMBUSTIBLE GAS AND INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION
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. The present invention relates generally to a method and a facility for liquefying a fuel gas with a high methane content.
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) .  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).
Pour cela, on cherche à réduire les coûts de mise en œuvre du processus de liquéfaction du gaz combustible (par exemple en réduisant le nombre d'équipements impliqués dans le processus et leur taille) , tout en conservant des coûts opérationnels modérés (notamment en termes de consommables) .  For this, it seeks to reduce the costs of implementation of the liquefaction process of the fuel gas (for example by reducing the number of equipment involved in the process and their size), while maintaining moderate operational costs (in particular in terms of consumables).
Pour résoudre un tel problème, il est connu de l'homme de l'art différentes solutions, que l'on peut regrouper en trois catégories :  To solve such a problem, it is known to those skilled in the art different solutions, which can be grouped into three categories:
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 ; 1. closed-cycle processes with phase change of the refrigerant, the latter being a pure substance or a refrigerant mixture in order to improve the efficiency. They are mainly used for large-scale LNG production (so-called "baseload"), ie several tens to several hundred tonnes / hour (t / h) of LNG produced, in a fixed station. these include processes following industrial processes: TEALARC process from Technip and Air Liquide, APCI processes including C3-MR and APX, Conoco Phillips optimized waterfall process, MFC process. Statoil-Linde, Linde's processes, Black and Veatch's PRICO process, and the LNG limited OSMR process. However, this type of process is now also proposed on a smaller scale (that is to say processes producing only a few tens or even a few tons / hour (t / h) of LNG produced. the following industrial processes: the BOC process of the Linde industrial group) for biogas liquefaction, the Kryopak SCMR and PCMR processes, the GTI MRC process, the Waertsila NewMR process, the SGTS process for biogas liquefaction, the process Erie for the liquefaction of biogas, and finally the MiniLNG process of SINTEF for the liquefaction of the evaporation of LNG;
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 :  Brayton closed-cycle or expansion processes, ie without phase change but with expansion of the refrigerant to create the cold. Because of their technical simplicity, these methods are used:
• 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 ; • for small LNG production. This is particularly the case for the Air Liquide process for the liquefaction of biogas, the Kryopak EXP process and the Cryostar process proposed both for biogas liquefaction and LNG evaporation;
• 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 ;  • either for technically difficult situations where simplicity and robustness outweigh the energy performance ("offshore" production in particular, or for reliquefaction of LNG evaporation). This is particularly the case for the Mustang process, the APCI APX process, the SAIPEM multi-step relaxation process and the Gasconsult ZR-LNG process;
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 (construite en 2010), produisant 55 tonnes par jour de GNL.  3. open cycle processes, in which the cold is not created but provided by an external medium, typically liquid nitrogen, and where the liquefaction of natural gas results from a simple (direct) heat exchange with the cold medium that vaporizes. This type of process is generally used in the laboratory or for very punctual applications requiring very little performance and a lot of simplicity. This is notably the case for the Chart process using liquid nitrogen as a refrigerant, currently used in South-East Asia (Indonesia in particular), and for the Hamworthy-Wärtsilà direct process, which is currently being implemented in the region. Skolvik small liquefaction plant in Finland (built in 2010), producing 55 tonnes per day of LNG.
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 : However, these devices known from the prior art have many disadvantages. Thus, the processes closed cycle with phase change of the refrigerant have the following disadvantages:
• 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 de tels procédés nécessitent,  • costs of developing or supplying non-consumable parts (costs usually referred to as CAPEX) that are high because of the large number of equipment and the complexity that such processes require,
• il en est de même pour les coûts d'exploitation (généralement désignés par l'acronyme OPEX) , • The same is true for operating costs (generally referred to as the OPEX acronym),
• la complexité de tels procédés et les risques encourus (le réfrigérant est généralement inflammable) , • the complexity of such processes and the risks involved (the refrigerant is generally flammable),
• 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  The size and large size of the equipment for implementing such processes, which makes them difficult to compact: indeed, in addition to the fluid to be cooled (typically natural gas), the process must incorporate a large amount of fluids cooling in intermediate cycles to obtain the desired cooling (in the end, the total mass flow rate of the refrigerant mixtures used being approximately 8 times that of the fluid to be cooled), and
• les émissions de CO2 liés à la consommation de gaz lorsque celui-ci est utilisé pour l'appoint en énergie du procédé. • CO 2 emissions related to gas consumption when it is used to supplement the energy of the process.
Par ailleurs, les procédés à cycle fermé complet de Brayton ou à détente présente également des inconvénients, en partie identique avec ceux mentionnés ci-dessus pour les procédé avec changement de phase : On the other hand, the complete closed cycle or Brayton closed-loop processes also have disadvantages, in part identical with those mentioned above for the phase change processes:
• des coûts élevés de développement ou de fourniture des pièces non-consommables (coûts CAPEX) et des coûts élevés d'exploitation (coûts OPEX) , • high costs of development or provision of non-consumable parts (CAPEX costs) and high operating costs (OPEX costs),
• une performance énergétique faible, en d'autres termes une consommation d'énergie importante, • low energy performance, in other words significant energy consumption,
• 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 d 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. The size and large size of the equipment for the implementation of such processes, which makes them difficult to compact: here also, in addition to the fluid to be cooled (typically natural gas), the process must incorporate a large amount of fluids cooling in intermediate cycles to achieve the desired cooling. Given the absence of evaporation, the amount of refrigerant is even greater than in the previous case (relating to complete closed cycle processes with phase change of the refrigerant), the mass flow rate of refrigerant is this time equivalent to several dozens of times the mass flow of fluid to cool.
• les émissions CO2 liées à la consommation de gaz lorsque celui-ci est utilisé pour l'appoint en énergie du procédé. • CO 2 emissions related to gas consumption when it is used to supplement the energy of the process.
Enfin, les procédés à cycle ouvert présentent des inconvénients liés principalement à leur rusticité, et cout d'approvisionnement du réfrigérant (qui est consommé du fait du cycle ouvert) .  Finally, the open-cycle processes have disadvantages mainly related to their hardiness, and the cost of supplying the refrigerant (which is consumed because of the open cycle).
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 en ce sens qu'il est partiellement fermé et dans lequel :  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 in that it is partially closed and in which:
• d'une part, on réalise, à l'aide d'un cycle fermé à mélange réfrigérant, le refroidissement du gaz d'entrée sur une plage de température allant de la température ambiante à une température au moins aussi basse que la température bulle du gaz, qui est d'environ -130°C selon les configurations spécifiques de pression et de composition précise du gaz en entrée de liquéfaction, • on the one hand, we realize, using a closed cycle with cooling mixture, cooling the inlet gas over a temperature range from room temperature to a temperature at least as low as the bubble temperature of the gas, which is about -130 ° C depending on the specific pressure configurations and of precise composition of the gas at the liquefaction inlet,
• d'autre part, on réalise, à l'aide d'un cycle ouvert à l'azote liquide, le sous-refroidissement final du gaz d'entrée (une fois liquéfié) sur une plage de température allant d'une température au moins aussi basse que la température bulle du jusqu'à une température de sous-refroidissement qui est d'environ -155°C selon les configurations spécifiques de pression et de composition précise du gaz en entrée de liquéfaction ainsi que de la pression de stockage GNL .  On the other hand, the final subcooling of the inlet gas (once liquefied) is carried out, using an open cycle with liquid nitrogen, over a temperature range from a temperature of less as low as the bubble temperature of up to a subcooling temperature of about -155 ° C depending on the specific pressure and precise composition of the liquefied gas inlet and the LNG storage pressure .
Plus particulièrement, la présente invention a donc pour objet un procédé de liquéfaction d'un gaz combustible comprenant majoritairement du méthane, dans lequel le gaz combustible circule dans un circuit primaire ouvert depuis une source de gaz combustible vers un réservoir pour gaz liquéfié, tandis qu'un mélange réfrigérant circule dans un circuit secondaire fermé, le procédé comprenant les phases suivantes :  More particularly, the subject of the present invention is therefore a process for liquefying a fuel gas comprising predominantly methane, in which the fuel gas circulates in a primary circuit open from a source of combustible gas to a tank for liquefied gas, while a refrigerant mixture circulates in a closed secondary circuit, the process comprising the following phases:
- une phase de pré-refroidissement et de liquéfaction, au cours de laquelle le gaz combustible de débit initial m est refroidi et liquéfié entre la température ambiante To et une température 2 au moins aussi basse que la température bulle du gaz, cette phase étant réalisée par échange thermique avec un flux principal de mélange réfrigérant circulant à contre-courant du flux de gaz combustible dans au moins un premier échangeur thermique ; et a pre-cooling and liquefaction phase, during which the fuel gas of initial flow rate m is cooled and liquefied between the ambient temperature To and a temperature 2 at least as low as the bubble temperature of the gas, this phase being carried out by heat exchange with a main stream of refrigerant mixture circulating countercurrently to the fuel gas stream in at least one first heat exchanger; and
- une phase de sous-refroidissement au cours de laquelle le gaz combustible liquéfié est sous- refroidi de la température T2 jusqu'à une température T3 de sous-refroidissement, cette phase de sous- refroidissement étant réalisée dans un échangeur thermique de sous-refroidissement ; a subcooling phase during which the liquefied fuel gas is subcooled from the temperature T 2 to a subcooling temperature T 3 , this subcooling stage being carried out in a heat exchanger from under -cooling;
ledit procédé étant caractérisé en ce que la phase de sous-refroidissement est réalisée par échange thermique avec un flux d' azote gazeux initialement complètement liquide provenant du réservoir d'azote liquide et circulant, dans un troisième circuit ouvert, à contre- courant du flux de gaz combustible.  said method being characterized in that the subcooling phase is carried out by heat exchange with a flow of initially completely liquid nitrogen gas from the liquid nitrogen reservoir and flowing in a third open circuit against the flow current combustible gas.
Par échangeur thermique, on entend, au sens de la présente invention, soit un échangeur physiquement séparé de la ligne d'échange thermique principale, soit un sous- ensemble ou une partie d'une zone d'échange thermique unique intégrant la totalité de la ligne d'échange thermique de la phase considérée.  For the purposes of the present invention, the term "heat exchanger" means an exchanger physically separated from the main heat exchange line, or a subset or part of a single heat exchange zone incorporating all of the heat exchange line. heat exchange line of the considered phase.
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.  For the purpose of the present invention, the term "heat exchange line" means the succession of fluids exchanging heat with each other in the phase under consideration.
Par exemple, on peut considérer que le premier échangeur thermique fait partie d'une première zone d'échange thermique où se déroule la phase de refroidissement .  For example, it may be considered that the first heat exchanger is part of a first heat exchange zone where the cooling phase takes place.
Par azote, on entend, au sens de la présente invention, un fluide comportant au moins 97% molaire d' azote . De manière avantageuse, on pourra distribuer, le gaz combustible à la sortie de la source de gaz, en deux sous-flux de débits respectifs mj et m2=m-m1. Puis, on pourra injecter : For the purposes of the present invention, nitrogen is understood to mean a fluid comprising at least 97 mol% of nitrogen. Advantageously, it will be possible to distribute the combustible gas at the outlet of the gas source in two sub-flows of respective flow rates mj and m 2 = mm 1 . Then we can inject:
• d'une part le sous-flux de gaz combustible de débit mi dans 1 premier échangeur thermique, pour le liquéfier et le refroidir par échange thermique avec le flux principal de mélange réfrigérant circulant à contre-courant du flux de gaz combustible ; et  • on the one hand the mi flow fuel gas sub-flow in the first heat exchanger, for liquefying and cooling it by heat exchange with the main flow of refrigerant mixture circulating countercurrent flow of fuel gas; and
• d'autre part le sous-flux de gaz combustible de débit n¾ dans un e échangeur thermique annexe, pour le liquéfier et le refroidir par échange thermique avec le flux d'azote complètement vaporisé sortant de l' échangeur thermique de sous-refroidissement. On the other hand, the sub-flow of flow-rate fuel gas in an auxiliary heat exchanger, for liquefying it and cooling it by heat exchange with the stream of completely vaporized nitrogen leaving the sub-cooling heat exchanger.
De préférence, le débit /¾ du sous-flux de gaz combustible injecté dans le premier échangeur thermique peut représenter au moins 80% et de préférence de l'ordre de 95% du débit initial m de gaz combustible à la sortie de la source de gaz. Preferably, the flow rate / ¾ of the fuel gas sub-flow injected into the first heat exchanger may represent at least 80% and preferably of the order of 95% of the initial flow rate m of combustible gas at the outlet of the source of fuel. gas.
De manière avantageuse, la phase de pré¬ refroidissement et de liquéfaction peut comprendre les étapes complémentaires suivantes : Advantageously, the phase pre ¬ cooling and liquefaction may comprise the following additional steps:
- le pré-refroidissement du gaz combustible de la température ambiante To jusqu'à une température ΤΊ égale à la température de rosée du gaz combustible (avec une marge de variation de plus ou moins 10°C autour de cette température de rosée selon la composition du gaz combustible) , cette phase de pré-refroidissement étant réalisée, dans le premier échangeur thermique, par échange thermique avec le flux principal de mélange réfrigérant circulant à contre-courant du flux de gaz combustible ; the pre-cooling of the combustible gas from the ambient temperature To to a temperature equal to the dew point temperature of the combustible gas (with a variation margin of plus or minus 10 ° C. around this dew point temperature depending on the composition of the fuel gas), this pre-cooling phase being carried out in the first heat exchanger by heat exchange with the main stream of refrigerant mixture circulating countercurrent to the fuel gas stream;
- la liquéfaction du gaz combustible de la température ΤΊ à la température T2, cette phase de liquéfaction étant réalisée par échange thermique avec une fraction du mélange réfrigérant circulant à contre-courant du flux de gaz combustible, dans un échangeur thermique de liquéfaction disposé en cascade entre le premier échangeur thermique et l' échangeur thermique de sous-refroidissement. the liquefaction of the fuel gas from the temperature ΤΊ to the temperature T 2 , this liquefaction stage being carried out by heat exchange with a fraction of the refrigerant mixture flowing countercurrently with the flow of fuel gas, in a liquefaction heat exchanger arranged in cascade between the first heat exchanger and the subcooling heat exchanger.
Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé selon l'invention comprend en outre les étapes  According to an advantageous embodiment, the method according to the invention further comprises the steps
suivantes : following:
- on comprime, dans un premier compresseur, le flux principal de mélange réfrigérant à la sortie du premier échangeur thermique, et on le refroidit dans un premier dispositif de post¬ refroidissement ; puis - is compressed in a first compressor, the main refrigerant stream mixture at the outlet of the first heat exchanger, and cooled in a first post ¬ cooling device; then
- on sépare le flux principal de mélange réfrigérant comprimé et refroidi en fractions légère et lourde dans un séparateur de phase ; puis  separating the main stream of refrigerant mixture compressed and cooled into light and heavy fractions in a phase separator; then
- on injecte, dans le premier échangeur thermique, la fraction lourde issue du premier séparateur de phase, en la faisant circuler à contre-courant du flux de réfrigérant principal, puis en la réunissant au flux principal de mélange réfrigérant à la sortie du premier échangeur thermique;  the heavy fraction originating from the first phase separator is injected into the first heat exchanger, circulating it countercurrently with the main refrigerant stream, then joining it to the main flow of the refrigerant mixture at the outlet of the first exchanger; thermal;
- tandis qu'on injecte, successivement dans le premier échangeur thermique et l' échangeur thermique de liquéfaction la fraction légère, en la faisant circuler à contrecourant du flux réfrigérant dans les premier et deuxième échangeur, avec une étape intermédiaire en sortie d' échangeur où la fraction légère est réunie à la fraction lourde pour former le flux principal de mélange réfrigérant . while the light fraction is injected successively into the first heat exchanger and the liquefaction heat exchanger, by circulating it countercurrently with the refrigerant flow in the first and second heat exchangers, with an intermediate stage at the outlet of the exchanger where the light fraction is joined to the heavy fraction to form the main stream of refrigerant mixture.
Dans ce mode de réalisation avantageux, on réalisera de préférence une étape supplémentaire dans laquelle à la sortie du premier dispositif de post-refroidissement, on sépare, dans un deuxième séparateur de phase, le flux principal de mélange réfrigérant en fractions vapeur et liquide, afin de pouvoir monter en pression chaque fraction, avec l'équipement adapté.  In this advantageous embodiment, an additional step is preferably carried out in which, at the outlet of the first aftercooling device, the main stream of refrigerant mixture is separated into a second phase separator into vapor and liquid fractions so that to be able to increase in pressure each fraction, with the adapted equipment.
Dans ce mode de réalisation avantageux, le procédé selon l'invention pourra de préférence comprendre les étapes supplémentaires suivantes :  In this advantageous embodiment, the method according to the invention may preferably comprise the following additional steps:
- la fraction initialement vapeur est comprimée et refroidie à l'ambiante (et peut alors contenir une fraction de liquide) ,  the initially vapor fraction is compressed and cooled to ambient temperature (and may then contain a fraction of liquid),
- ladite fraction comprimée et refroidie est réunie à la fraction purement liquide qui a été comprimée à la même pression que la fraction initialement vapeur ;  said compressed and cooled fraction is combined with the purely liquid fraction which has been compressed at the same pressure as the initially vapor fraction;
- la réunion produit le mélange réfrigérant qui est diphasique et à haute pression ;  the assembly produces the refrigerant mixture which is two-phase and at high pressure;
- le mélange réfrigérant est ensuite séparé dans le ballon séparateur en une fraction légère purement vapeur et une fraction lourde purement liquide. De manière avantageuse, le gaz à liquéfier pourra avantageusement contenir du méthane en une proportion molaire d'au moins 80%. Dans ce cas, pour un tel gaz à liquéfier, la température 2 sera comprise entre -140°C et -110°C, et la température 3 de sous-refroidissement du gaz combustible liquéfié sera comprise entre -140 °C et -170°C. the refrigerant mixture is then separated in the separator flask into a pure vapor fraction and a purely liquid heavy fraction. Advantageously, the gas to be liquefied may advantageously contain methane in a molar proportion of at least 80%. In this case, for such a gas to be liquefied, the temperature 2 will be between -140 ° C and -110 ° C, and the temperature 3 of subcooling liquefied fuel gas will be between -140 ° C and -170 ° C.
Il est à noter que les aspects liés au prétraitement du gaz à liquéfier ne sont pas pris en compte dans le procédé selon l'invention. Des solutions standard d'épuration du gaz peuvent donc également être envisagées en amont de la phase de pré-refroidissement et de liquéfaction, telles que des techniques de lavage aux aminés, d'épuration membranaire ou encore le recours à des systèmes à base de tamis moléculaires.  It should be noted that the aspects related to pretreatment of the gas to be liquefied are not taken into account in the process according to the invention. Standard gas cleaning solutions can therefore also be considered upstream of the pre-cooling and liquefaction phase, such as amine scrubbing, membrane scrubbing or the use of sieve-based systems. molecular.
Le procédé selon l'invention permet donc d'alléger fortement la phase de pré-refroidissement et de liquéfaction (se déroulant en cycle fermé avec mélange réfrigérant) puisque que par rapport à un cycle fermé standard, il ne s'agit plus ici de refroidir directement un gaz jusqu'à sa température de sous-refroidissement (soit environ -155°C) mais seulement jusqu'à une température T2 au moins aussi basse que la température bulle du gaz (soit environ-130 °C) . Cela réduit notamment de 40% environ sa consommation d'énergie mécanique et l'encombrement de la ligne de compression (et de refroidissement à l'ambiante). Le procédé selon l'invention, par rapport à un procédé ne mettant en œuvre qu'un cycle à l'azote liquide, consomme environ 5 fois moins d'azote liquide (puisque que le pouvoir frigorifique apporté par celui-ci est principalement utilisé pour le seul sous-refroidissement) .  The method according to the invention thus makes it possible to significantly lighten the pre-cooling and liquefaction phase (taking place in a closed cycle with a refrigerant mixture), since compared to a standard closed cycle, it is no longer a matter of cooling here. directly a gas up to its subcooling temperature (ie about -155 ° C) but only up to a temperature T2 at least as low as the gas bubble temperature (about-130 ° C). This reduces by about 40% its mechanical energy consumption and the size of the compression line (and ambient cooling). The process according to the invention, compared to a process using only one liquid nitrogen cycle, consumes about 5 times less liquid nitrogen (since the cooling power provided by it is mainly used to the only subcooling).
Par ailleurs, on observe une flexibilité accrue d' opérabilité du procédé de l'invention, se traduisant par un gain d' ΘΠνΐΓΟΠ 5"6 de flexibilité de production de gaz naturel liquéfié (GNL) en utilisant le reliquat de froid issu du flux d'azote vaporisé en sortie de sous- refroidissement pour liquéfier une partie du gaz d'entrée (en l'occurrence 5% environ) . En outre, la flexibilité opérationnelle est accrue par rapport aux autres procédés car le recours à l'azote liquide peut aider à pallier les fluctuations de performance du cycle secondaire fermé. Furthermore, there is an increased flexibility of operability of the process of the invention, resulting in a gain of ΘΠνΐΓΟΠ 5 "6 of flexibility of production of liquefied natural gas (LNG) using the cold leftover from the flow of liquefied natural gas (LNG). vaporized nitrogen at the outlet of cooling to liquefy a portion of the input gas (in this case about 5%). In addition, the operational flexibility is increased compared to other processes because the use of liquid nitrogen can help to mitigate the fluctuations in performance of the closed secondary cycle.
Enfin, la simplicité du procédé et donc son utilisation sont augmentées du fait de la réduction du nombre d'équipements complexes (typiquement compresseurs et « post-refroidisseurs associés ») par rapport à un cycle fermé standard. En outre, le procédé selon l'invention est moins sensible aux conditions environnementales .  Finally, the simplicity of the process and therefore its use are increased because of the reduction in the number of complex equipment (typically compressors and "associated aftercoolers") compared to a standard closed cycle. In addition, the process according to the invention is less sensitive to environmental conditions.
La présente invention a encore pour objet une installation de liquéfaction d'un gaz pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention, ladite installation comprenant un circuit primaire relié à une source de gaz combustible et à un réservoir pour gaz liquéfié, et un circuit secondaire fermé dans lequel circule un mélange réfrigérant, l'installation comprenant en outre au moins un premier échangeur thermique et au moins un échangeur thermique de sous-refroidissement disposés en cascade pour refroidir et liquéfier le gaz circulant dans le circuit primaire, le premier échangeur thermique étant traversé par les circuits primaire et secondaire disposés de manière que le gaz combustible et le mélange réfrigérant y circulent toujours à contre-courant,  Another subject of the present invention is a liquefaction plant for a gas for implementing the method according to the invention, said installation comprising a primary circuit connected to a source of combustible gas and to a tank for liquefied gas, and a closed secondary circuit in which a cooling mixture circulates, the installation further comprising at least a first heat exchanger and at least one subcooling heat exchanger arranged in cascade for cooling and liquefying the gas flowing in the primary circuit, the first exchanger thermal being traversed by the primary and secondary circuits arranged so that the fuel gas and the refrigerant mixture still circulate against the current,
l'installation étant caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un circuit tertiaire ouvert dans lequel circule un flux d'azote initialement complètement liquide provenant d'un réservoir d'azote liquide, le deuxième échangeur thermique étant traversé par le circuit tertiaire de manière que le flux d' azote et le gaz combustible y circulent à contre-courant. the installation being characterized in that it further comprises an open tertiary circuit in which circulates an initially completely liquid nitrogen stream from a liquid nitrogen tank, the second heat exchanger being traversed by the circuit tertiary so that the flow of nitrogen and the fuel gas circulate in countercurrent.
De manière avantageuse, l'installation selon l'invention pourra comprendre en outre un échangeur thermique annexe, dans lequel on injecte une fraction η¾ du gaz combustible, pour le liquéfier et le refroidir par échange thermique avec le flux d' azote complètement vaporisé sortant de l' échangeur thermique de sous- refroidissement .  Advantageously, the installation according to the invention may furthermore comprise an auxiliary heat exchanger, into which a fraction η¾ of the combustible gas is injected, to liquefy it and cool it by heat exchange with the stream of completely vaporized nitrogen leaving the the subcooling heat exchanger.
L'installation selon l'invention présente l'avantage d'être plus compacte que les installations à cycle fermé connues de l'art antérieur grâce à la réduction du circuit secondaire fermé.  The installation according to the invention has the advantage of being more compact than closed-cycle installations known from the prior art by reducing the closed secondary circuit.
Par ailleurs, il n'est pas nécessaire d'arrêter complètement l'installation selon l'invention lorsque l'on effectue la révision des compresseurs. En effet, grâce à l'azote liquide et en utilisant de manière dégradée momentanément la ligne d'échange principale (c'est-à-dire en injectant momentanément plus d'azote liquide dans l' échangeur cryogénique principal pour partiellement compenser l'absence du réfrigérant du cycle fermé) , on peut tout de même produire, avec le procédé selon l'invention, une quantité significative de GNL (environ 50% de la capacité nominale) . Enfin, le stock d'azote liquide nécessaire pour le sous-refroidissement peut-être utilisé pour des applications d' inertage/sécurité en situation d'urgence, d'où une sécurité accrue du procédé.  Furthermore, it is not necessary to completely stop the installation according to the invention when performing the revision of the compressors. In fact, thanks to the liquid nitrogen and by temporarily degrading the main exchange line (that is to say by temporarily injecting more liquid nitrogen into the main cryogenic exchanger to partially compensate the absence closed cycle refrigerant), we can still produce, with the method according to the invention, a significant amount of LNG (about 50% of the nominal capacity). Finally, the liquid nitrogen stock required for subcooling can be used for inerting / safety applications in emergency situations, resulting in increased process safety.
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 indiqué les différentes phases du procédé de l'invention ; Other advantages and features of the present invention will result from the description which follows, given by way of nonlimiting example and with reference to the appended figures: FIG. 1 represents a general block diagram of a preferred embodiment of the installation according to the invention, on which the different phases of the method of the invention have been indicated;
• la figure 2 représente le même schéma de principe général que celui représenté sur la figure 1, sur lequel les différents flux de mélange réfrigérant dans le circuit secondaire fermé ont été indiqués ;  FIG. 2 represents the same general block diagram as that shown in FIG. 1, in which the different flows of refrigerant mixture in the closed secondary circuit have been indicated;
• la figure 3 représente une vue en détaillée de l'installation de la figure 2, montrant en particulier les différents flux de mélange réfrigérant dans les premier et deuxième échangeur thermiques ;  FIG. 3 represents a detailed view of the installation of FIG. 2, showing in particular the different flows of refrigerant mixture in the first and second heat exchangers;
• la figure 4 représente un schéma de principe général d'une installation selon l'art antérieur comportant un cycle ouvert à l'azote liquide .  FIG. 4 represents a general block diagram of an installation according to the prior art comprising an open cycle with liquid nitrogen.
Les éléments identiques représentés sur les figures The identical elements represented in the figures
1 à 3 sont identifiés par des références numériques identiques . 1 to 3 are identified by identical reference numerals.
La figure 4 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.  FIG. 4 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.
Sur la figure 1, on a représente un schéma de principe général d'un mode de réalisation préférentiel de l'installation selon l'invention, sur lequel on a indiqué les différentes phases du procédé de l'invention au niveau des échangeurs thermiques où elles sont réalisées dans l'installation selon l'invention. La figure 1 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 G- 1 vers un réservoir pour gaz liquéfié G-3, tandis que le mélange réfrigérant circule dans un circuit secondaire II fermé, et que le flux d'azote gazeux initialement complètement liquide provenant du réservoir d' azote liquide. En particulier, le flux d'azote circule, dans un troisième circuit ouvert, à contre-courant du flux de gaz combustible FIG. 1 represents a general block diagram of a preferred embodiment of the installation according to the invention, on which the different phases of the method of the invention according to the invention have been indicated. level of the heat exchangers where they are carried out in the installation according to the invention. In particular, FIG. 1 shows that the process according to the invention consists in liquefying a fuel gas mainly comprising methane, by circulating it in a primary circuit I open from a fuel gas source G-1 to a tank for liquefied gas G -3, while the refrigerant mixture circulates in a closed secondary circuit II, and the flow of nitrogen gas initially completely liquid from the liquid nitrogen tank. In particular, the flow of nitrogen flows, in a third open circuit, against the flow of fuel gas
La figure 1 montre que le procédé selon l'invention se déroule, dans l'installation selon l'invention selon trois phases successives, comme suit :  FIG. 1 shows that the process according to the invention takes place in the installation according to the invention in three successive phases, as follows:
- une phase de pré-refroidissement 1000 du gaz combustible de la température ambiante ΪΌ jusqu'à une température ΪΊ égale à la température de rosée du gaz combustible ;  a pre-cooling phase 1000 of the combustible gas from ambient temperature ΪΌ up to a temperature ΪΊ equal to the dew point temperature of the fuel gas;
- une phase de liquéfaction 2000 du gaz combustible de la température ΤΊ à la température T2 au moins aussi basse que la température bulle du gaz ; et a liquefaction phase 2000 of the fuel gas from the temperature ΤΊ to the temperature T2 at least as low as the bubble temperature of the gas; and
- une phase de sous-refroidissement 3000 au cours de laquelle le gaz combustible liquéfié est sous- refroidi de la température T2 jusqu'à une température T3 de sous-refroidissement. a sub-cooling phase 3000 during which the liquefied fuel gas is sub-cooled from the temperature T2 to a subcooling temperature T3.
La figure 1, conjointement avec les figures 2 et 3, montrent en particulier que :  FIG. 1, together with FIGS. 2 and 3, show in particular that:
- la phase de pré-refroidissement 1000 est réalisée, dans le premier échangeur thermique 100, par échange thermique avec le flux principal MR-1 de mélange réfrigérant circulant à contre-courant du flux de gaz combustible ; et the pre-cooling phase 1000 is carried out, in the first heat exchanger 100, by heat exchange with the main flow MR-1 of a refrigerant mixture circulating countercurrently to the flow of combustible gas; and
- la phase de sous-refroidissement 3000 est réalisée dans un échangeur thermique de sous-refroidissement 300, par échange thermique avec un flux d'azote gazeux initialement complètement liquide provenant du réservoir d'azote liquide N-l et, qui après avoir été pompé (état N-2 du flux réfrigérant) circule dans un circuit tertiaire III ouvert, à contre-courant du flux de gaz combustible ;  the subcooling phase 3000 is carried out in a subcooling heat exchanger 300, by heat exchange with a flow of nitrogen gas initially completely liquid from the liquid nitrogen reservoir N1 and which after having been pumped (state N-2 refrigerant flow) flows in an open tertiary circuit III, countercurrent to the flow of fuel gas;
- tandis que la phase de liquéfaction 2000 intermédiaire est réalisée par échange thermique avec une fraction du mélange réfrigérant MR-V-4 circulant à contre-courant du flux de gaz combustible, dans un échangeur thermique de liquéfaction 200 disposé en cascade entre le premier échangeur thermique 100 et l' échangeur thermique de sous-refroidissement 300.  while the intermediate liquefaction phase 2000 is carried out by heat exchange with a fraction of the refrigerant mixture MR-V-4 circulating countercurrently with the flow of fuel gas, in a liquefaction heat exchanger 200 arranged in cascade between the first exchanger 100 and the subcooling heat exchanger 300.
Dans le mode de réalisation préférentiel de l'installation selon l'invention, on peut avantageusement, préalablement à la phase de pré¬ refroidissement 1000 du gaz combustible, répartir le gaz combustible selon l'invention de la manière suivante, comme illustré sur les figures 1 et 3 : In the preferred embodiment of the installation according to the invention, it is advantageously, prior to the phase pre ¬ 1000 cooling of the fuel gas evenly the fuel gas according to the invention in the following manner, as illustrated in Figures 1 and 3:
- on distribue à la sortie de la source de gaz, le gaz combustible G-l de débit m, en deux sous-flux G-G-l et G-P-l de débits respectifs /¾ et m2=m-m1 ; puis at the outlet of the gas source, the fuel gas G of flow m is distributed in two sub-flows GG1 and GP1 of respective flow rates / ¾ and m 2 = mm 1 ; then
on injecte le sous-flux de gaz combustible G-G-l de débit η¾ dans le premier échangeur thermique injecting the fuel gas sub-flow G-G-1 flow η¾ in the first heat exchanger
100, pour le liquéfier et le refroidir par échange thermique avec le flux principal MR-1 de mélange réfrigérant circulant à contre-courant du flux de gaz combustible ; et 100, to liquefy and cool it by heat exchange with the main flow MR-1 of a refrigerant mixture circulating countercurrently to the flow of combustible gas; and
on injecte le sous-flux de gaz G-P-l de débit n¾ dans un échangeur thermique annexe 400, pour le liquéfier et le refroidir par échange thermique avec le flux d'azote complètement vaporisé sortant de l' échangeur thermique de sous- refroidissement 300.  the n-flow G-P-1 gas sub-flow is injected into an auxiliary heat exchanger 400, for liquefying and cooling it by heat exchange with the stream of completely vaporized nitrogen leaving the sub-cooling heat exchanger 300.
De préférence, le débit /¾ du sous-flux de gaz combustible injecté dans le premier échangeur thermique 100 représente au moins 80%, et de préférence de l'ordre de 95% du débit initial m de gaz combustible à la sortie de la source de gaz G-l.  Preferably, the flow rate / ¾ of the fuel gas sub-flow injected into the first heat exchanger 100 represents at least 80%, and preferably of the order of 95%, of the initial flow rate m of fuel gas at the outlet of the source. of gas Gl.
Par ailleurs, la figure 2 illustre plus particulièrement la circulation du mélange réfrigérant dans le circuit secondaire II fermé, qui se déroule comme suit :  Moreover, FIG. 2 more particularly illustrates the circulation of the refrigerant mixture in the closed secondary circuit II, which takes place as follows:
- après avoir traversé le premier échangeur thermique 100, le flux principal MR-1 devient le flux principal MR-2 ;  after passing through the first heat exchanger 100, the main flow MR-1 becomes the main flow MR-2;
- que l'on comprime ensuite, une fois sorti du premier échangeur thermique 100 dans un premier compresseur 12 ;  - that is then compressed once out of the first heat exchanger 100 in a first compressor 12;
- Il devient alors le flux principal de mélange réfrigérant MR-3, que l'on  - It then becomes the main flow of refrigerant mixture MR-3, which is
- refroidit dans un premier dispositif de post¬ refroidissement 13 où il devient le flux MR-4 ; puis - cooled in a first post ¬ cooling device 13 where it becomes the MR-4 streams; then
- à la sortie du premier dispositif de post- refroidissement 13, on sépare, dans un séparateur de phase 14, le flux principal MR-4 réfrigérant en fractions vapeur MR-5-a et liquide MR-5-b, afin de monter en pression chaque fraction MR-5-a, MR-5b. avec l'équipement adapté : une pompe pour la fraction liquide et un autre étage de compresseur pour la fraction vapeur ; at the outlet of the first post-cooling device 13, the MR-4 refrigerant main stream is separated into a phase separator 14 into vapor fractions MR-5-a and liquid MR-5-b, in order to pressurize each MR-5-a, MR-5b fraction. with the appropriate equipment: a pump for the liquid fraction and another compressor stage for the steam fraction;
- la fraction initialement vapeur MR-5-a est comprimée pour devenir la fraction MR-6-a, puis elle est refroidie à l'ambiante pour devenir la fraction MR-7-a, pouvant contenir une fraction de 1iquide ;  the initially steam fraction MR-5-a is compressed to become the MR-6-a fraction, then it is cooled to ambient temperature to become the MR-7-a fraction, which may contain a liquid fraction;
- la fraction purement liquide MR-5-b est comprimée à la même pression que MR-5-a pour devenir la fraction purement liquide MR-6-b ;  the pure liquid fraction MR-5-b is compressed at the same pressure as MR-5-a to become the purely liquid fraction MR-6-b;
- la fraction comprimée et refroidie MR-7-a est ensuite réunie à la fraction purement liquide MR-6- b ;  the compressed and cooled fraction MR-7-a is then combined with the purely liquid fraction MR-6-b;
- la réunion des fractions MR-7-a et MR-6-b produit le mélange réfrigérant MR-8 qui est diphasique et à haute pression ; et  the combination of fractions MR-7-a and MR-6-b produces the MR-8 refrigerant mixture which is two-phase and at high pressure; and
- le mélange réfrigérant MR-8 est ensuite séparé dans un ballon séparateur de phases 17 en une fraction légère purement vapeur MR-V-1 et une fraction lourde purement liquide MR-L-1.  the refrigerant mixture MR-8 is then separated in a phase separator flask 17 into a pure steam fraction MR-V-1 and a purely liquid heavy fraction MR-L-1.
Enfin, la figure 3 illustre plus particulièrement la circulation du mélange réfrigérant dans le circuit secondaire II fermé, au niveau des échangeurs thermiques 100 et 200, après obtention des fractions purement vapeur MR-V-1 et une fraction lourde purement liquide MR-L-1 :  Finally, FIG. 3 more particularly illustrates the circulation of the refrigerant mixture in the closed secondary circuit II, at the level of the heat exchangers 100 and 200, after obtaining the purely vapor fractions MR-V-1 and a purely liquid heavy fraction MR-L- 1:
- on injecte dans l'échangeur 100 la fraction liquide MR-L-1, à la sortie duquel 100 elle devient la fraction MRL-2 ;  the liquid fraction MR-L-1 is injected into the exchanger 100, at the outlet of which 100 it becomes the MRL-2 fraction;
- on injecte dans l'échangeur 100 la fraction légère purement vapeur MR-V-1 ; à la sortie de l'échangeur 100, la fraction légère purement vapeur MR-V-1 devient la fraction vapeur MR-V-2, que l'on injecte dans l'échangeur 200 en la faisant circuler à contrecourant du flux réfrigérant MR-V-4 the pure steam fraction MR-V-1 is injected into the exchanger 100; at the exit of the exchanger 100, the pure vapor fraction MR-V-1 becomes the vapor fraction MR-V-2, which is injected into the exchanger 200 by circulating it countercurrently with the refrigerant flow MR-V-4
- à la sortie de l'échangeur 200, on obtient la fraction légère MR-V-5 est réunie à la fraction lourde MR-L-2 pour former le flux principal de mélange réfrigérant MR-1.  at the outlet of the exchanger 200, the light fraction MR-V-5 is combined with the heavy fraction MR-L-2 to form the main flow of the refrigerant mixture MR-1.
Le cycle secondaire II fermé a pour but de refroidir-liquéfier la plus grande partie du gaz d'entrée (environ 95% du débit massique) de la température ambiante à -130°c environ, tandis que le cycle tertiaire III ouvert à l'azote liquide a pour but principal de sous-refroidir la totalité du flux de gaz d'entrée qui, à ce stade, est déjà liquide, c'est-à-dire à une température comprise entre -130°C et -155°C. En sortie de sous-refroidissement, l'azote vaporisé (et donc à une température proche de -130°C) peut encore servir à refroidir/liquéfier une fraction du gaz d'entrée. Comme le flux d'azote une fois vaporisé à déjà cédé la majeure partie de sa capacité frigorifique, ce flux de gaz d'entrée refroidi/liquéfié est faible et de l'ordre de 5% (soit le complément du flux traité par le cycle fermé) .11 est à noter que le cycle secondaire II n'a pas de grandes spécificités et de nombreuses possibilités pourraient convenir. Dans le cas présent, on recherche un compromis entre la simplicité et l'efficacité, d'où les caractéristiques suivantes du cycle secondaire retenu :  The purpose of closed secondary cycle II is to cool-liquefy most of the input gas (about 95% of the mass flow) from room temperature to about -130 ° C, while tertiary cycle III opens up to The main purpose of liquid nitrogen is to sub-cool the entire input gas stream, which at this stage is already liquid, that is to say at a temperature between -130 ° C and -155 ° C . At the subcooling outlet, the vaporized nitrogen (and therefore at a temperature close to -130 ° C.) can still be used to cool / liquefy a fraction of the inlet gas. Since the stream of nitrogen once vaporized has already yielded most of its cooling capacity, this flow of cooled / liquefied inlet gas is low and of the order of 5% (ie the complement of the flow treated by the cycle closed) .11 It should be noted that Secondary II has no great specificities and many possibilities may be appropriate. In the present case, a compromise is sought between simplicity and efficiency, hence the following characteristics of the secondary cycle retained:
• bien que deux compresseurs apparaissent sur le schéma, le cycle est conçu pour que ces deux étages de compresseurs puissent être contenus dans un seul carter afin de réduire le cout CAPEX de la solution. En fait, comme le cycle fermé ne refroidit le gaz que jusqu'à environ - 130°C, un taux de compression global de 8 au maximum pour le réfrigérant est possible et donc est compatible avec un seul« casing » compresseur ; la séparation des fractions lourde et légère de réfrigérant peut être réalisée de la manière la plus simple, c'est-à- dire par ballon et à température ambiante. Mais des approches plus complexes (recours à une colonne de distillation) sont également envisageables . • Although two compressors appear on the diagram, the cycle is designed so that these two stages of compressors can be contained in a single crankcase in order to reduce the cost CAPEX of the solution. In fact, as the closed cycle only cools the gas up to about - 130 ° C, an overall compression ratio of up to 8 for the refrigerant is possible and therefore is compatible with a single compressor casing; the separation of the heavy and light fractions of refrigerant can be carried out in the simplest way, that is to say by flask and at ambient temperature. But more complex approaches (use of a distillation column) are also possible.
EXEMPLES EXAMPLES
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 : The following examples illustrate the invention without, however, limiting its scope. These are numerical simulations carried out using the aspen hysys V7.3 simulation tool based on the SRK LK -1 thermodynamic model (Soave Redlich-Kwong Lee Kesler 1). These simulations made it possible to calculate the following parameters:
• la puissance mécanique utilisée par le procédé en kW ;  • the mechanical power used by the process in kW;
• la consommation spécifique en kWh/t de GNL produit (ratio de la puissance mécanique et du débit massique de GNL produit) ; • the specific consumption in kWh / t of LNG produced (ratio of mechanical power and mass flow of LNG produced);
• le ratio massique d'azote liquide utilisé par rapport au GNL produit d'azote liquide ; • the mass ratio of liquid nitrogen used compared to LNG produces liquid nitrogen;
• le gain de consommation d'énergie par rapport au procédé connu de l'art antérieur avec un cycle ouvert à l'azote liquide ; • le gain en consommation d'énergie par rapport à un procédé connu de l'art antérieur avec un cycle fermé de type SMR (tel que décrit dans FR 2703762 ou FR 2751059), The gain in energy consumption compared with the known method of the prior art with an open cycle with liquid nitrogen; The gain in energy consumption compared to a method known from the prior art with a closed cycle of the SMR type (as described in FR 2703762 or FR 2751059),
par comparaison avec les résultats que l'on obtiendrait avec : compared to the results that would be obtained with:
d'une part, un procédé connu selon l'art antérieur comportant un cycle ouvert à l'azote liquide tel qu'illustré à la figure 3, et d'autre part, un procédé connu selon l'art antérieur tel que décrit dans les brevets français FR 2703762 ou FR 2751059 , il s'agit de procédés de liquéfaction de gaz naturel à cycle fermé, du type SMR (« Single Mixed Réfrigérant ») avec fractionnement du gaz dans une colonne à distiller. En tant que cycle fermé pur, il ne consomme pas d'azote liquide pour refroidir le gaz naturel.  on the one hand, a known method according to the prior art comprising an open cycle with liquid nitrogen as illustrated in FIG. 3, and on the other hand, a known method according to the prior art as described in FIGS. French patents FR 2703762 or FR 2751059 are closed-cycle natural gas liquefaction processes of the SMR type ("Single Mixed Refrigerant") with fractionation of the gas in a distillation column. As a pure closed cycle, it does not consume liquid nitrogen to cool the natural gas.
Ces simulations numériques ont été réalisées dans les conditions suivantes :  These numerical simulations were carried out under the following conditions:
• Gaz d'entrée (gaz combustible à refroidir) :  • Entry gas (combustible gas to be cooled):
o Pression : 48 bar  o Pressure: 48 bar
o Température : 30 °C  o Temperature: 30 ° C
o Débit massique : 10,18 t/h  o Mass flow: 10.18 t / h
o Composition (% molaire) :  o Composition (mol%):
N2 0,79% N 2 0.79%
Ci 91, 21; C, 91, 21 ;
C2 7,89% C 2 7.89%
C3 0,11% C 3 0.11%
C4 0 • Température minimale de refroidissement du réfrigérant avec le milieu ambiant : 30°C C 4 0 • Minimum cooling temperature of the refrigerant with the surrounding environment: 30 ° C
• Hypothèses de rendement polytropique de compresseur : 85%  • Polytropic compressor efficiency assumptions: 85%
· Température de sous-refroidissement du GNL : -158°C. · LNG subcooling temperature: -158 ° C.
Les résultats des simulations sont présentés dans tableau 1 ci-après : The results of the simulations are presented in Table 1 below:
Tableau 1 Table 1
Figure imgf000025_0001
Ces résultats montrent que le procédé selon l'invention, en tant que procédé hybride à cycle semi- ouvert ou semi-fermé, permet :
Figure imgf000025_0001
These results show that the process according to the invention, as a semi-open or semi-closed cycle hybrid process, allows:
par rapport à un procédé à cycle ouvert simple à l'azote liquide, de réduire de plus de 80% la consommation d'azote liquide, ce qui constitue la principale source de coûts opérationnels d'un procédé à cycle ouvert,  compared to a simple open-cycle liquid nitrogen process, to reduce liquid nitrogen consumption by more than 80%, which is the main source of operational costs for an open-cycle process,
par rapport au procédé connu de l'art antérieur avec un cycle fermé de type SMR (tel que décrit dans FR 2703762 ou FR 2751059) , de réduire sa consommation d'énergie de 33% et donc de baisser les coûts associés à la consommation d'énergie mais aussi de supprimer un étage de compression dans le procédé, d'où une réduction significative des coûts de procédé.  compared to the known method of the prior art with a SMR type closed cycle (as described in FR 2703762 or FR 2751059), to reduce its energy consumption by 33% and thus to reduce the costs associated with the consumption of energy. energy but also to suppress a compression stage in the process, resulting in a significant reduction in process costs.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de liquéfaction d'un gaz combustible comprenant majoritairement du méthane, dans lequel ledit gaz combustible circule dans un circuit primaire (I) ouvert depuis une source de gaz combustible (G-l) vers un réservoir pour gaz liquéfié (G-3) , tandis qu'un mélange réfrigérant circule dans un circuit secondaire (II) fermé, ledit procédé comprenant les phases suivantes : A method of liquefying a fuel gas comprising predominantly methane, wherein said fuel gas flows in a primary circuit (I) open from a fuel gas source (G1) to a liquefied gas tank (G-3), while a refrigerant mixture circulates in a closed secondary circuit (II), said method comprising the following phases:
- une phase de pré-refroidissement (1000) et de liquéfaction (2000), au cours de laquelle le gaz combustible de débit initial m est refroidi et liquéfié entre la température ambiante ΪΌ et une température T2 au moins aussi basse que la température bulle du gaz, cette phase (1000, 2000) étant réalisée par échange thermique avec du mélange réfrigérant (MR-1, MRV-4) circulant à contre-courant du flux de gaz combustible dans au moins un premier échangeur thermique (100, 200) ; et  a pre-cooling (1000) and liquefaction (2000) phase, during which the initial flow fuel gas m is cooled and liquefied between the ambient temperature ΪΌ and a temperature T2 at least as low as the bubble temperature of the gas, this phase (1000, 2000) being carried out by heat exchange with refrigerant mixture (MR-1, MRV-4) circulating countercurrently with the fuel gas stream in at least one first heat exchanger (100, 200); and
- une phase de sous-refroidissement (3000) au cours de laquelle le gaz combustible liquéfié est sous- refroidi de la température T2 jusqu'à une température T3 de sous-refroidissement, cette phase de sous-refroidissement étant réalisée dans un échangeur thermique de sous -refroidissement (300) ;  a sub-cooling phase (3000) during which the liquefied fuel gas is sub-cooled from the temperature T2 to a subcooling temperature T3, this subcooling phase being carried out in a heat exchanger of undercooling (300);
ledit procédé étant caractérisé en ce que la phase de sous-refroidissement (3000) est réalisée par échange thermique avec un flux d'azote gazeux initialement complètement liquide provenant du réservoir d' azote liquide (N-l) et circulant, dans un circuit tertiaire (III) ouvert, à contre-courant du flux de gaz combustible . said method being characterized in that the subcooling phase (3000) is carried out by heat exchange with a flow of initially liquid nitrogen gas from the liquid nitrogen reservoir (Nl) and circulating in a tertiary circuit (III) open against the flow of fuel gas.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel : - on distribue, le gaz combustible (G-l) de débit m à la sortie de la source de gaz, en deux sous- flux (G-G-l) et (G-P-l) de débits respectifs /¾ et m2=m-m1 ; puis 2. Method according to claim 1, in which: the fuel gas (G1) of flow rate m at the outlet of the gas source is distributed in two substreams (GG1) and (GP1) of respective flow rates / ¾ and m 2 = mm 1 ; then
on injecte le sous-flux de gaz combustible (G-G- 1) de débit η¾ dans ledit premier échangeur thermique (100), pour le liquéfier et le refroidir par échange thermique avec le flux principal (MR-1) de mélange réfrigérant circulant à contre-courant du flux de gaz combustible ; et - on injecte le sous-flux de gaz G-P-l de débit n¾ dans un échangeur thermique annexe (400), pour le liquéfier et le refroidir par échange thermique avec le flux d'azote complètement vaporisé sortant de l' échangeur thermique de sous- refroidissement (300).  injecting the fuel gas sub-flow (GG-1) with a flow rate η¾ into said first heat exchanger (100), for liquefying and cooling it by heat exchange with the main flow (MR-1) of the circulating refrigerant mixture -current flow of combustible gas; and the flow sub-stream GP1 is injected into an auxiliary heat exchanger (400) in order to liquefy it and to cool it by heat exchange with the stream of completely vaporized nitrogen leaving the sub-cooling heat exchanger. (300).
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le débit /¾ du sous-flux de gaz combustible injecté dans le premier échangeur thermique (100) représente au moins 80% et de préférence de l'ordre de 95% du débit initial m de gaz combustible à la sortie de la source de gaz (G-l) . 3. Method according to claim 2, wherein the flow / ¾ of the fuel gas sub-flow injected into the first heat exchanger (100) represents at least 80% and preferably of the order of 95% of the initial flow rate m of combustible gas at the outlet of the gas source (G1).
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la phase de pré-refroidissement (1000) et de liquéfaction (2000) comprend les étapes suivantes : The method of any one of claims 1 to 3, wherein the pre-cooling (1000) and liquefying (2000) phase comprises the following steps:
- le pré-refroidissement (1000) du gaz combustible de la température ambiante ΪΌ jusqu'à une température Ti égale à la température de rosée du gaz combustible, cette phase de pré-refroidissement (1000) étant réalisée, dans le premier échangeur thermique (100), par échange thermique avec le flux principal (MR-1) de mélange réfrigérant circulant à contre-courant du flux de gaz combustible ; - the pre-cooling (1000) of the fuel gas from ambient temperature ΪΌ to a temperature Ti equal to the dew point temperature of the fuel gas, this pre-cooling phase (1000) being carried out, in the first heat exchanger (100), by heat exchange with the main flow (MR-1) of circulating refrigerant mixture against -current flow of combustible gas;
- la liquéfaction (2000) du gaz combustible de la température ΤΊ à la température T2, cette phase de liquéfaction étant réalisée par échange thermique avec une fraction du mélange réfrigérant (MR-V-4) circulant à contre-courant du flux de gaz combustible, dans un échangeur thermique de liquéfaction (200) disposé en cascade entre le premier échangeur thermique (100) et l' l' échangeur thermique de sous-refroidissement (300) . the liquefaction (2000) of the fuel gas from the temperature ΤΊ to the temperature T 2 , this liquefaction phase being carried out by heat exchange with a fraction of the refrigerant mixture (MR-V-4) flowing against the flow of the gas stream fuel in a liquefaction heat exchanger (200) cascaded between the first heat exchanger (100) and the subcooling heat exchanger (300).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications à 4, dans lequel : The method according to any one of claims 4, wherein:
- on comprime, dans un premier compresseur (12), le flux principal (MR-2) de mélange réfrigérant à la sortie du premier échangeur thermique (100), et on le refroidit dans un premier dispositif de post¬ refroidissement (13) ; puis - is compressed in a first compressor (12), the main flow (MR-2) of the refrigerant mixture at the outlet of the first heat exchanger (100), and cooled in a first post ¬ cooling device (13); then
- on sépare le flux principal de mélange réfrigérant comprimé et refroidi (MR-8) en fraction légère (MR- the main stream of cooled and cooled refrigerant mixture (MR-8) is separated into a light fraction (MR-8)
V-l) et lourde (MR-L-1) dans un séparateur de phase (17) ; puis V-1) and heavy (MR-L-1) in a phase separator (17); then
- on injecte, dans le premier échangeur thermique (100), la fraction lourde (MR-L-1) issue dudit premier séparateur de phase (17), en la faisant circuler à contrecourant du flux de réfrigérant principal (MR-1), puis en la réunissant (état MR-L- 2) audit flux principal (MR-1) de mélange réfrigérant, à la sortie dudit premier échangeur thermique (100) ; the heavy fraction (MR-L-1) originating from said first phase separator (17) is injected into the first heat exchanger (100) by circulating it countercurrently with the main refrigerant stream (MR-1), and then bringing it together (state MR-L- 2) to said main flow (MR-1) of refrigerant mixture, at the outlet of said first heat exchanger (100);
tandis qu'on injecte, successivement dans les échangeurs (100) puis (200) la fraction légère respectivement sous les formes MR-V-1 et MR-V-2, en les faisant circuler à contrecourant du flux réfrigérant (MR-1) pour l' échangeur (100) et (MR-V- 4) pour l'échangeur (200), avec une étape intermédiaire en sortie d' échangeur (200) où la fraction légère (MR-V-5) est réunie à la fraction lourde (MR-L-2) pour former le flux principal de mélange réfrigérant (MR-1).  while the light fraction is successively injected into the heat exchangers (100) and then (200) respectively in forms MR-V-1 and MR-V-2, by circulating them in counterflow of the refrigerant flow (MR-1) for the exchanger (100) and (MR - V - 4) for the exchanger (200), with an intermediate stage at the outlet of the exchanger (200) where the light fraction (MR - V - 5) is joined to the heavy fraction (MR-L-2) to form the main flow of refrigerant mixture (MR-1).
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel :The method of claim 5, wherein:
- à la sortie du premier dispositif de post¬ refroidissement (13), on sépare, dans un deuxième séparateur de phase (14), le flux principal (MR-4) de mélange réfrigérant en fractions vapeur (MR-5-a) et liquide (MR-5-b) afin de monter en pression chaque fraction (MR-6-a, MR-6-b) . - the output of the first post ¬ cooling device (13) is separated in a second phase separator (14), the main flow (MR-4) mixed refrigerant vapor fractions (MR-5-a) and liquid (MR-5-b) to pressure each fraction (MR-6-a, MR-6-b).
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel :The method of claim 6 wherein:
- La fraction initialement vapeur (MR-5-a) est comprimée et devient la fraction (MR-6-a) , qui est refroidie à l'ambiante (MR-7-a) , The initially vapor fraction (MR-5-a) is compressed and becomes the fraction (MR-6-a), which is cooled to ambient temperature (MR-7-a),
- ladite fraction comprimée et refroidie (MR-7-a) est réunie à la fraction purement liquide (MR-6-b) qui correspond à la fraction (MR-5-b) après avoir été comprimée à la même pression que (MR-7-a) ;  said compressed and cooled fraction (MR-7-a) is combined with the purely liquid fraction (MR-6-b) which corresponds to the fraction (MR-5-b) after having been compressed at the same pressure as (MR -7-a);
- la réunion produit le mélange réfrigérant (MR-8) qui est diphasique et à haute pression ; - ledit mélange réfrigérant (MR-8) est ensuite séparé dans le ballon séparateur (17) en une fraction légère purement vapeur (MR-V-1) et une fraction lourde purement liquide (MR-L-1) . the assembly produces the refrigerant mixture (MR-8) which is two-phase and at high pressure; said refrigerant mixture (MR-8) is then separated in the separator flask (17) in a purely vapor light fraction (MR-V-1) and a purely liquid heavy fraction (MR-L-1).
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le gaz à liquéfier contient du méthane en une proportion molaire d'au moins 80%. 8. Process according to any one of claims 1 to 7, wherein the gas to be liquefied contains methane in a molar proportion of at least 80%.
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la température T2 est comprise entre -140°C et -110°C, et la température 3 de sous-refroidissement du gaz combustible liquéfié est comprise entre -140°C et -170°C. 9. The method of claim 8, wherein the temperature T2 is between -140 ° C and -110 ° C, and the subcooling temperature 3 of the liquefied fuel gas is between -140 ° C and -170 ° C .
10. Installation de liquéfaction d'un gaz pour la mise en œuvre du procédé tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, ladite installation comprenant un circuit primaire (I) relié à une source (G- 1) de gaz combustible et à un réservoir pour gaz liquéfié (G-3) , et un circuit secondaire (II) fermé dans lequel circule un mélange réfrigérant, l'installation comprenant en outre au moins un premier échangeur thermique (100, 200) et au moins un échangeur thermique de sous- refroidissement (200) disposés en cascade pour refroidir et liquéfier le gaz circulant dans le circuit primaire (I), ledit premier échangeur thermique (100, 200) étant traversé par les circuits primaire (I) et secondaire (II) disposés de manière que le gaz combustible et le mélange réfrigérant y circulent à contre-courant, 10. Installation for liquefying a gas for carrying out the process as defined in any one of claims 1 to 9, said installation comprising a primary circuit (I) connected to a source (G-1) of gas fuel and a tank for liquefied gas (G-3), and a closed secondary circuit (II) in which circulates a refrigerant mixture, the installation further comprising at least a first heat exchanger (100, 200) and at least one subcooling heat exchanger (200) arranged in cascade for cooling and liquefying the gas flowing in the primary circuit (I), said first heat exchanger (100, 200) being traversed by the primary (I) and secondary (II) circuits; arranged in such a way that the fuel gas and the cooling mixture circulate therein counter-current,
ladite installation étant caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un circuit tertiaire ouvert (III) dans lequel circule un flux d'azote initialement complètement liquide provenant d'un réservoir d'azote liquide (N-l), ledit échangeur thermique de sous-refroidissement (300) étant traversé par ledit circuit tertiaire (III) de manière que le flux d' azote et le gaz combustible y circulent à contre-courant. said plant being characterized in that it further comprises an open tertiary circuit (III) in which circulates an initially completely liquid nitrogen stream from a liquid nitrogen tank (Nl), said subcooling heat exchanger (300) being traversed by said tertiary circuit (III) so that the flow of nitrogen and the fuel gas circulate therein countercurrently.
11. Installation selon la revendication 10, comprenant en outre un troisième échangeur thermique annexe (400) dans lequel on injecte une fraction n¾ du gaz combustible, pour le liquéfier et le refroidir par échange thermique avec le flux d' azote complètement vaporisé sortant de l' échangeur thermique de sous- refroidissement (300). 11. Installation according to claim 10, further comprising a third auxiliary heat exchanger (400) in which a n¾ fraction of the combustible gas is injected, for liquefying and cooling it by heat exchange with the stream of completely vaporized nitrogen coming out of the fuel. subcooling heat exchanger (300).
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