WO2023104695A1 - Procédé de liquéfaction d'un gaz à traiter riche en méthane, et installation correspondante - Google Patents

Procédé de liquéfaction d'un gaz à traiter riche en méthane, et installation correspondante Download PDF

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Julien Chevalier
Thierry HORTANED
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    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration
    • F25J2270/908—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration by regenerative chillers, i.e. oscillating or dynamic systems, e.g. Stirling refrigerator, thermoelectric ("Peltier") or magnetic refrigeration

Definitions

  • the present invention relates to a process for the liquefaction of a gas to be treated comprising at least 50% by volume of methane, the process comprising a purification of the gas to be treated to obtain a purified gas, a pre-cooling of the purified gas to obtain a pre-cooled, liquefying the pre-cooled gas to obtain a liquid stream, sub-cooling the liquid stream to obtain a sub-cooled liquid stream, and expanding the sub-cooled liquid stream to obtain a gas liquefied.
  • the invention also relates to an installation suitable for implementing such a method.
  • the gas to be treated is for example a biogas (resulting from the fermentation of organic matter).
  • the relevant market is, for example, that of retail LNG (Liquefied Natural Gas), with final storage of the LNG produced at a pressure of less than 3 bar absolute. This market requires relatively low liquefied gas production capacities, typically less than 2000 Nm 3 /h of gas to be liquefied.
  • a first category includes phase change cycles, often referred to as mixed refrigerant (MR) cycles.
  • the cold is provided by evaporating a refrigerant fluid adapted to the level of cooling temperature required.
  • the refrigerant is composed of a mixture that gradually evaporates throughout the target temperature range. Once completely vaporized, the refrigerant is condensed in stages using, on the one hand, several stages of compression and, on the other hand, pre-cooling on itself.
  • phase change cycles due to their technical complexity, entail high costs.
  • phase change cycles require a large succession of compressors, and a refrigerant mixture comprising sometimes explosive compounds, which requires specific compressor technologies.
  • this type of cycle is too expensive for the small scales of production targeted.
  • a second category includes inverted Brayton cycles.
  • the cold is produced by expanding, using a turbine, a previously compressed refrigerant fluid.
  • the big difference with the phase change cycle is that, precisely, in the inverted Brayton cycle, the refrigerant always remains gaseous.
  • the cooling of gas to be treated takes place thanks to the difference in temperature between the gas to be treated and the expanded refrigerant.
  • inverted Brayton cycles remain relatively complex. Like phase change cycles, they require a large succession of compressors and even greater capacities and powers than phase change cycles, due to their relative lack of energy efficiency. This results in a significant cost at the targeted production scales. Moreover, the key machine that is the cryogenic expansion turbine is expensive and is not available "off the shelf” at all scales, which increases its cost at the production scales concerned.
  • a third category includes the Stirling cycles.
  • the Stirling cycle resembles the reverse Brayton cycle in that it does not involve the evaporation of a refrigerant fluid.
  • its operating points are different, because the stages of expansion of the refrigerant and cooling of the gas to be treated are done at the same time, and the stages of compression of the refrigerant fluid and its cooling by an external source are also done simultaneously. same time.
  • the overall system generally fits in a single relatively integrated and compact device, unlike other processes in which each step is carried out by dedicated equipment.
  • Stirling cycles are difficult to implement for high capacities, in particular greater than 50 Nm 3 /h of gas to be treated which is rich in methane. They therefore have a high cost.
  • Stirling cycles include isothermal compression and expansion, and therefore require a compact exchange line whose capacity cannot be increased easily.
  • the heart of the cycle is often duplicated to increase capacity. Consequently, the specific cost does not really benefit from the increase in capacity (no economy of scale).
  • Stirling cycles lack energy efficiency.
  • a fourth category includes open cycles. Instead of creating the cold using mechanical energy, by the compression, then the expansion of a recycled fluid, we use a vector of cold, that is to say a consumable which brings the cold.
  • a suitable vector is liquid nitrogen.
  • the liquid nitrogen once vaporized, is released into the atmosphere, therefore lost, the cycle being open.
  • Open cycles unfortunately present a lack of energy efficiency and a high operational cost.
  • the consumption of the cold vector, for example liquid nitrogen, to achieve the cooling necessary for the liquefaction of the gas to be treated requires a mass flow rate of liquid nitrogen greater than twice that of the gas to be treated.
  • An object of the invention is therefore to propose a liquefaction process making it possible to reduce the overall production cost, in particular for capacities of less than 2000 Nm 3 /h.
  • the subject of the invention is a process for the liquefaction of a gas to be treated comprising at least 50% by volume of methane, the process comprising the following steps:
  • pre-cooling of the purified gas to obtain a pre-cooled gas having a temperature less than or equal to -15°C, the pre-cooling being carried out by heat exchange with a pre-cooling refrigeration cycle,
  • the liquefaction including a Stirling refrigeration cycle distinct from said pre-cooling refrigeration cycle and implementing a first refrigerant fluid, the Stirling refrigeration cycle comprising pre-cooling of the first refrigerant fluid by heat exchange with a second refrigerant fluid of a pre-cooling refrigeration cycle distinct from a Stirling cycle,
  • the method comprises one or more of the following characteristics, taken in isolation or in all technically possible combinations:
  • the single pre-cooling refrigeration cycle is a brine cycle, a CO2 cycle, an ammonia cycle, a freon cycle, or a propane cycle;
  • the single pre-cooling refrigeration cycle comprises: cooling the second refrigerant fluid to produce a stream of cooled second refrigerant fluid; and a division of the stream of cooled second refrigerant fluid into at least two streams used respectively to carry out the pre-cooling of the first refrigerant fluid and the pre-cooling of the purified gas;
  • the temperature of the pre-cooled gas is greater than or equal to -50°C;
  • - sub-cooling includes: heat exchange with an open cycle using liquid nitrogen; and/or a heat exchange with a vapor produced by the expansion of the stream of subcooled liquefied gas;
  • the method further comprising mixing the gas to be treated with at least a portion of the vapor to obtain a mixture;
  • the method further comprises, prior to the liquefaction of the pre-cooled gas, an expansion of the pre-cooled gas;
  • the invention also relates to an installation suitable for implementing a method as described above, comprising:
  • a purification unit suitable for purifying a gas to be treated comprising at least 50% by volume of methane and obtaining a purified gas
  • pre-cooling unit adapted to pre-cool the purified gas and to obtain a pre-cooled gas at a temperature less than or equal to -15°C
  • liquefaction unit suitable for liquefying the pre-cooled gas and obtaining a stream of liquid, with subcooling of the stream of liquid less than or equal to 5°C at the outlet of the liquefaction unit
  • the liquefaction unit including a Stirling refrigeration cycle distinct from said pre-cooling refrigeration cycle and being adapted to implement a first refrigerant fluid, the Stirling refrigeration cycle being adapted to carry out a pre-cooling of the first refrigerant fluid
  • pre-cooling refrigeration cycle distinct from the Stirling refrigeration cycle and adapted to implement a second refrigerant fluid and to carry out a heat exchange with the first refrigerant fluid in order to obtain said precooling of the first refrigerant fluid, the pre-cooling refrigeration cycle being distinct from a Stirling cycle, - a liquid stream subcooling unit for obtaining a subcooled liquid stream, and
  • FIG. 1 is a schematic view of an installation according to the invention adapted to implement a method according to the invention.
  • upstream and downstream generally extend relative to the normal direction of flow of a fluid.
  • 1 Nm 3 /h means in this document one cubic meter per hour at a pressure of 101325 Pa and a temperature of 0°C.
  • the installation is suitable for liquefying a gas to be treated 12 comprising at least 50% by volume of methane and obtaining a liquefied gas 14 (that is to say a liquid), for example with a view to its marketing on the LNG (Liquefied Natural Gas) retail.
  • the liquefied gas 14 is advantageously stored at a pressure below 3 bar absolute (300 kPa).
  • the gas to be treated 12 is for example a biogas, a network gas, a synthesis gas, or more generally a gas rich in methane.
  • the gas to be treated 12 can contain up to 45% by volume of CO2 and therefore barely 50 to 55% by volume of methane.
  • gas 12 to be treated is a fossil gas
  • methane content before purification is generally greater than 70% by volume.
  • the installation 10 comprises a compressor 16, followed by a cooler 18, and a purification unit 20 for purifying the gas to be treated 12 to obtain, in a manner known per se, a purified gas 22 which be liquefiable.
  • the installation 10 is advantageously devoid of the compressor 16 and the cooler 18.
  • the installation 10 comprises a pre-cooling unit 24 for pre-cooling the purified gas 22 and obtaining a pre-cooled gas 26 at a temperature less than or equal to -15°C, and advantageously greater than -50°C.
  • the temperature of the pre-cooled gas 26 is between -45°C and -15°C.
  • the installation 10 also includes an expansion unit 28 to expand the pre-cooled gas 26.
  • the installation 10 comprises a liquefaction unit 30 suitable for liquefying the pre-cooled gas 26, and optionally expanded, and obtaining a stream of liquid 32, with sub-cooling of the stream of liquid less than or equal to 5° C., by example of about 3° C., at the outlet of the liquefaction unit 30.
  • the installation 10 comprises a subcooling unit 34 for subcooling the liquid stream 32 to obtain a subcooled liquid stream 36, and an expansion unit 38 for expanding the subcooled liquid stream 36 and obtaining liquefied gas 14.
  • the installation 10 comprises a single pre-cooling refrigeration cycle 40 to carry out, in the pre-cooling unit 24, a heat exchange with the purified gas 22, and to carry out, in the liquefaction unit 30, a precooling of a first refrigerant fluid 42 implemented by the liquefaction unit 30.
  • cooling cycle is meant a set of pipes and elements (not shown), such as compressors or turbines, adapted to subject a fluid to a series of transformations with the aim of generating cold at a place of the cycle, in a manner known per se (see the preamble to this document).
  • the installation 10 comprises two separate pre-cooling refrigeration cycles (whose fluids do not mix), one being adapted to provide cold to the unit of pre-cooling 24, and the other to the liquefaction unit 30.
  • the expansion unit 38 also being suitable for producing a vapor 44 rich in methane, known as "flash gas"
  • the installation 10 further comprises a mixer 46 suitable for mixing the gas with treat 12 with steam 44 to obtain a mixture 48. Put more simply, the steam is recycled in the gas to be treated upstream of the compression.
  • the compressor 16, followed by the ambient temperature cooler 18, makes it possible to compress both the gas to be treated 12 and the vapor 44, for example between 19 and 40 bars absolute.
  • the purification unit 20 makes the compressed gas liquefiable at cryogenic temperatures, typically below -80°C.
  • the purification unit 20 is conventionally adapted to eliminate from the gas to be treated 12 the volatile compounds and the heavy hydrocarbons (known as “C6+”), for example thanks to activated carbons (not represented and known in themselves).
  • the purification unit 20 comprises for example a condensation system (not shown).
  • a membrane system (not shown) is for example used.
  • molecular sieves can be used (not shown).
  • the purified gas 22 comprises at least 90% by volume of methane if it comes from a fossil gas, or even 99% by volume and more if it comes from a biogas.
  • the expansion unit 28 comprises for example a Joule-Thomson valve or a gas expansion turbine.
  • the liquefaction unit 30 includes a Stirling refrigeration cycle 50 distinct from the pre-cooling refrigeration cycle 40 and implementing the first refrigerant fluid 42.
  • the liquefaction unit 30 is adapted so that the liquid stream 32 has a temperature between -115°C and -90°C at the outlet of the liquefaction unit 30.
  • Stirling refrigeration cycle 50 is meant here a refrigeration cycle implemented by a Stirling machine 51 known in itself to those skilled in the art.
  • the Stirling machine 51 is a thermomechanical device configured to carry out a regenerated, closed, alternating, single-phase thermodynamic cycle.
  • the cycle successively comprises phases of compression and expansion of the working fluid, here the first refrigerant fluid 42, at different temperature levels.
  • the cycle is said to be “regenerated”, because the first refrigerant fluid 42 passes through a regenerator (not shown) whose purpose is to cool or heat the first refrigerant fluid 42 according to its direction of transit.
  • the cycle is said to be "closed", because the movement of the first refrigerant fluid 42 is entirely controlled by the variation of internal volumes of the Stirling machine 51, without recourse to organs for isolating the different parts occupied by the first refrigerant fluid 42 , that is to say in particular without the use of valves.
  • the cycle is said to be “alternative” because, at each point of the internal volumes occupied by the first refrigerant fluid 42, at least one thermodynamic characteristic of the fluid, such as the temperature or the pressure, is not stationary during the cycle.
  • the cycle is said to be “single-phase”, in the sense that the first refrigerant fluid 42 remains single-phase during the cycle.
  • a refrigeration cycle is "distinct from a Stirling cycle" if it is not implemented by a Stirling machine or does not have one of the properties stated above.
  • the Stirling refrigeration cycle 50 is further adapted to carry out a precooling of the first refrigerant fluid 42 by heat exchange with a second refrigerant fluid 52 implemented by the pre-cooling refrigeration cycle 40, the second refrigerant fluid 52 heating up for example by less than 5° C. during this heat exchange.
  • the Stirling refrigeration cycle 50 is advantageously adapted to pre-cool the first refrigerant fluid 42 to a temperature less than or equal to -15°C.
  • the pre-cooling refrigeration cycle 40 used is not a Stirling cycle.
  • the pre-cooling refrigeration cycle 40 is for example a brine cycle, a CO2 cycle, an ammonia cycle, a freon cycle, or a propane cycle, known per se and which will not be described in detail. retail.
  • the pre-cooling refrigeration cycle 40 comprises a cooling module 54 to produce a stream of cooled second refrigerant fluid 56, and a divider 57 to divide the stream of cooled second refrigerant fluid 56 into two streams 58, 60 used respectively to perform the pre-cooling of the first refrigerant fluid 42 and the pre-cooling of the purified gas.
  • the pre-cooling refrigeration cycle 40 comprises for example a mixer 62 adapted to mix the two streams 58, 60 after their respective passages through the liquefaction unit 30 and into the pre-cooling unit 24 and to reconstitute a stream of second fluid refrigerant 64 directed to cooling module 54.
  • the cooling module 54 is adapted to cool the flow of second refrigerant fluid 64 and produce the stream of cooled second refrigerant fluid 56.
  • the sub-cooling unit 34 is for example adapted to cool the liquid stream 32 by heat exchange with an open cycle 66 implementing liquid nitrogen.
  • the sub-cooling unit 34 is adapted to cool the liquid stream 32 by heat exchange with the vapor 44 produced by the expansion unit 38.
  • the expansion unit 38 advantageously comprises an expansion module 68 suitable for expanding the stream of subcooled liquid 36 and obtaining an expanded subcooled stream 70 at a pressure of less than 3 bars absolute, for example a pressure of 2 bars absolute .
  • the expansion unit 38 comprises for example a flash drum 72 to separate the expanded subcooled stream 70 into the liquefied gas 14, for example received in a storage 74, and the steam 44 recycled upstream of the compressor 16.
  • the gas to be treated 12 and the vapor 44 from the flash drum are mixed by the mixer 46 to form the mixture 48.
  • the gas to be treated 12, within the mixture 48 is compressed in the compressor 16, then cooled to approximately ambient temperature, for example 20° C., in the cooler 18. Then the gas to be treated 12, in the example at within the mixture 48, is purified in the purification unit 20 to form the purified gas 22.
  • the purified gas 22 is pre-cooled in the pre-cooling unit 24 to a temperature below -15° C., by heat exchange with the second refrigerant fluid 56, in the example with the flow 60.
  • the pre-cooled gas 26 is expanded in the expansion unit 28 to obtain a pre-cooled and expanded gas 76.
  • the pre-cooled and expanded gas 76 (or the pre-cooled gas 26, in the absence of the optional expansion) is liquefied by the liquefaction unit 30, with a minimal undercooling, less than or equal to 5 °C, for example about 3°C.
  • the temperature of the liquid stream 32 leaving the liquefaction unit 30 is 3° C. below the bubble temperature of the pre-cooled and expanded gas 76 (or of the pre-cooled gas 26, in l absence of the optional trigger).
  • the temperature of the liquid stream 32 leaving the liquefaction unit 30 is preferably between -115°C and -90°C.
  • the liquefaction unit 30 implements the Stirling refrigeration cycle 50, which brings the cold allowing the liquefaction of the pre-cooled gas 26.
  • the Stirling refrigeration cycle 50 performs in particular a pre-cooling of the first refrigerant fluid 42 to a temperature below ⁇ 15° C., by heat exchange with the flow 58 of second refrigerant fluid. During this heat exchange, the second refrigerant fluid 52 heats up by less than 5°C.
  • liquid stream 32 is then subcooled in the subcooling unit 34, expanded in the expansion module 68 to, for example, 2 bars absolute, and sent to the flash tank 72.
  • the liquefied gas 14 is for example recovered at the bottom of flash tank 72 and sent to storage 74.
  • liquid stream 32 is cooled by heat exchange with open cycle 66 using liquid nitrogen. In other words, liquid nitrogen is vaporized and gives up its cold to the sub-cooling unit 34.
  • the vapor from the flash tank 72, as indicated above, is recycled in the gas to be treated 12.
  • the second refrigerant stream 64 is cooled by the cooling module 54 to produce the second cooled refrigerant stream 56.
  • the second cooled refrigerant stream 56 is divided into the two stream 58, 60.
  • the stream 60 passes through the pre-cooling unit 24 to yield cold to the purified gas 22 and carry out the pre-cooling of the purified gas.
  • the flow 58 passes through the liquefaction unit 30 to yield cold to the Stirling refrigeration cycle 50 and carry out the pre-cooling of the first refrigerant fluid 42. After their respective passages through the liquefaction unit 30 and into the pre-cooling unit cooling 24, the two flows 58, 60 are mixed to reconstitute the flow of second refrigerant fluid 64.
  • the pre-cooling of the purified gas 22 and the pre-cooling of the first refrigerant fluid 42 are therefore carried out in parallel by the single pre-cooling refrigeration cycle 40.
  • the gas 12 to be treated is compressed between 19 and 40 bars absolute, for example at 40 bars absolute.
  • the purified gas 22 is pre-cooled between -15°C and -50°C, for example at -35°C, by the pre-cooling unit 24.
  • the temperature of the liquid stream 32 leaving the liquefaction unit 30 is between -115°C and -90°C, for example -90°C.
  • the liquid stream 32 is subcooled by the subcooling unit 34 to a temperature making it possible to obtain a molar evaporation rate in the flash drum 72 comprised between 20% and 50%, preferably between 20% and 25%.
  • the method makes it possible to reduce the overall production cost of the liquefied gas 14, in particular for production capacities of less than 2000 Nm 3 /h.
  • the pre-cooling of the purified gas 22 down to a temperature between -15° C. and -50° C., and the sub-cooling of the liquid stream 32 are carried out by dedicated systems (separate from the liquefaction unit 30) and at low cost.
  • the Stirling refrigeration cycle 50 is itself pre-cooled to a temperature below -15° C. by a separate pre-cooling refrigeration cycle 40, which is not a Stirling cycle. . This improves the performance of the Stirling 50 refrigeration cycle.
  • the subcooling of the liquid stream 32 which occurs in the liquefaction unit 30 is advantageously reduced to 5°C or less.
  • the real sub- cooling is carried out in the dedicated sub-cooling unit 34, and not by the Stirling refrigeration cycle 50 of the liquefaction unit 30.
  • the liquefaction unit 30 minimizes the thermal expenditure of the liquefaction unit 30, which alone concentrates half of the overall energy expenditure in the prior art.
  • the liquefaction is carried out by the refrigeration cycle of Stirling 50, which is not very complex. This cycle is well suited to targeted cooling and advantageously integrates all the elements of independent cooling in a single machine.

Abstract

Procédé de liquéfaction d'un gaz à traiter (12) comprenant au moins 50% en volume de méthane, comprenant les étapes suivantes : - épuration du gaz à traiter, - pré-refroidissement du gaz épuré (22) à température inférieure ou égale à -15°C par échange de chaleur avec un cycle frigorifique de pré-refroidissement (40), - liquéfaction du gaz pré-refroidi (26), dans une unité de liquéfaction (30), en un courant de liquide (32), avec un sous-refroidissement inférieur ou égal à 5°C, l'unité de liquéfaction incluant un cycle frigorifique de Stirling (50) distinct du cycle frigorifique de pré-refroidissement, ce cycle mettant en œuvre un premier fluide réfrigérant (42) pré-refroidi par un cycle frigorifique de pré-refroidissement (40) distinct d'un cycle de Stirling, - sous-refroidissement du courant de liquide, et - détente du courant de liquide sous-refroidi (36) pour obtenir un gaz liquéfié (14).

Description

Procédé de liquéfaction d’un gaz à traiter riche en méthane, et installation correspondante
La présente invention concerne un procédé de liquéfaction d’un gaz à traiter comprenant au moins 50% en volume de méthane, le procédé comprenant une épuration du gaz à traiter pour obtenir un gaz épuré, un pré-refroidissement du gaz épuré pour obtenir un gaz pré-refroidi, une liquéfaction du gaz pré-refroidi pour obtenir un courant de liquide, un sous-refroidissement du courant de liquide pour obtenir un courant de liquide sous- refroidi, et une détente du courant de liquide sous-refroidi pour obtenir un gaz liquéfié.
L’invention concerne également une installation adaptée pour mettre en œuvre un tel procédé.
Le gaz à traiter est par exemple un biogaz (issu de la fermentation de matières organiques). Le marché concerné est par exemple celui du GNL (Gaz Naturel Liquéfié) de détail, avec un stockage final du GNL produit à une pression inférieure à 3 bars absolus. Ce marché requiert des capacités de production de gaz liquéfié relativement faibles, typiquement inférieures à 2000 Nm3/h de gaz à liquéfier.
Les procédés de liquéfaction existants peuvent être regroupés en quatre catégories.
Une première catégorie comprend les cycles à changement de phase, souvent appelés cycles à mélange réfrigérant (MR). Le froid est apporté en évaporant un fluide réfrigérant adapté au niveau de température de refroidissement exigé. Pour pouvoir vaporiser le fluide réfrigérant sur une grande plage de température, tout en réduisant autant que possible le nombre d’équipements, le fluide réfrigérant est composé d’un mélange qui s’évapore progressivement tout au long de la plage de température visée. Une fois totalement vaporisé, le fluide réfrigérant est condensé par étapes à l’aide, d’une part, de plusieurs étages de compression et, d’autre part, d’un pré-refroidissement sur lui-même.
Toutefois, les cycles à changement de phase, du fait de leur complexité technique, entraînent des coûts élevés. Pour réaliser un refroidissement adapté à chaque étage, les cycles à changement de phase requièrent une succession importante de compresseurs, et un mélange réfrigérant comportant des composés parfois explosifs, ce qui nécessite des technologies spécifiques de compresseurs. Ainsi, bien qu’efficace, ce type de cycle s’avère trop coûteux aux petites échelles de production visées.
Une deuxième catégorie comprend les cycles de Brayton inversés. Le froid est produit en détendant, à l’aide d’une turbine, un fluide réfrigérant préalablement comprimé. La grande différence avec le cycle à changement de phase est que, justement, dans le cycle de Brayton inversé, le fluide réfrigérant reste toujours gazeux. Le refroidissement du gaz à traiter s’opère grâce à la différence de température entre le gaz à traiter et le réfrigérant détendu.
Néanmoins, les cycles de Brayton inversés restent relativement complexes. Comme les cycles à changement de phase, ils requièrent une succession importante de compresseurs et même de plus grandes capacités et puissances que ceux des cycles à changement de phase, en raison de leur manque relatif d’efficacité énergétique. Il en résulte un coût important aux échelles de production visées. De plus, la machine clef qu’est la turbine de détente cryogénique est coûteuse et n’est pas disponible « sur étagère » à toutes les échelles, ce qui augmente son coût aux échelles de production concernées.
Une troisième catégorie comprend les cycles de Stirling. Le cycle de Stirling ressemble au cycle de Brayton inversé en ce qu’il ne fait pas appel à l’évaporation d’un fluide réfrigérant. En revanche, ses points de fonctionnement sont différents, car les étapes de détente du réfrigérant et de refroidissement du gaz à traiter se font en même temps, et les étapes de compression du fluide réfrigérant et de son refroidissement par une source externe se font également en même temps. Pour cette raison thermodynamique, mais également en raison de l’évolution technique des solutions Stirling existantes, le système global tient généralement dans un dispositif unique relativement intégré et compact, contrairement aux autres procédés dans lesquels chaque étape est réalisée par un équipement dédié.
Toutefois, les cycles de Stirling sont difficiles à mettre en œuvre pour des capacités élevées, notamment supérieures à 50 Nm3/h de gaz à traiter riche en méthane. Ils présentent donc un coût élevé. Les cycles de Stirling incluent une compression et une détente isothermes, et requièrent donc une ligne d’échange compacte dont la capacité ne peut pas être augmentée facilement. Ainsi, le cœur du cycle est souvent dupliqué pour monter en capacité. Par conséquent, le coût spécifique ne profite pas véritablement de la montée en capacité (pas d’économie d’échelle).
En outre, les cycles de Stirling manquent d’efficacité énergétique. L’énergie nécessaire pour refroidir, liquéfier puis sous-refroidir le gaz à traiter, de la température ambiante à celle du stockage final, se rapproche de celle du cycle de Brayton inversé, d’où un nombre de cryo-générateurs Stirling requis importants et des coûts opérationnels élevés.
Une quatrième catégorie comprend les cycles ouverts. Au lieu de créer le froid à l’aide d’énergie mécanique, par la compression, puis la détente d’un fluide recyclé, on a recours à un vecteur de froid, c’est-à-dire à un consommable qui apporte le froid. Dans le cas de la liquéfaction d’un biogaz, un vecteur adapté est l’azote liquide. L’azote liquide, une fois vaporisé, est rejeté à l’atmosphère, donc perdu, le cycle étant ouvert. Les cycles ouverts présentent malheureusement un manque d’efficacité énergétique et un coût opérationnel élevé. La consommation du vecteur de froid, par exemple de l’azote liquide, pour réaliser le refroidissement nécessaire à la liquéfaction du gaz à traiter exige un débit massique d’azote liquide supérieur au double de celui du gaz à traiter.
Un but de l’invention est donc de proposer un procédé de liquéfaction permettant de réduire le coût de production global, en particulier pour des capacités inférieures à 2000 Nm3/h.
A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de liquéfaction d’un gaz à traiter comprenant au moins 50% en volume de méthane, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- épuration du gaz à traiter pour obtenir un gaz épuré,
- pré-refroidissement du gaz épuré pour obtenir un gaz pré-refroidi ayant une température inférieure ou égale à -15°C, le pré-refroidissement étant réalisé par échange de chaleur avec un cycle frigorifique de pré-refroidissement,
- liquéfaction du gaz pré-refroidi, dans une unité de liquéfaction, pour obtenir un courant de liquide, avec un sous-refroidissement du courant de liquide inférieur ou égal à 5°C en sortie de l’unité de liquéfaction, l’unité de liquéfaction incluant un cycle frigorifique de Stirling distinct dudit cycle frigorifique de pré-refroidissement et mettant en œuvre un premier fluide réfrigérant, le cycle frigorifique de Stirling comprenant un pré-refroidissement du premier fluide réfrigérant par échange de chaleur avec un deuxième fluide réfrigérant d’un cycle frigorifique de pré-refroidissement distinct d’un cycle de Stirling,
- sous-refroidissement du courant de liquide pour obtenir un courant de liquide sous- refroid i, et
- détente du courant de liquide sous-refroidi pour obtenir un gaz liquéfié.
Selon des modes particuliers de réalisation, le procédé comprend l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le cycle frigorifique de pré-refroidissement mis en œuvre dans l’étape de prérefroidissement du gaz épuré et le cycle frigorifique de pré-refroidissement mis en œuvre pour le pré-refroidissement du premier fluide réfrigérant forment un unique cycle frigorifique de pré-refroidissement ;
- l’unique cycle frigorifique de pré-refroidissement est un cycle à eau glycolée, un cycle au CO2, un cycle à ammoniac, un cycle au fréon, ou un cycle au propane ; - l’unique cycle frigorifique de pré-refroidissement comprend : un refroidissement du deuxième fluide réfrigérant pour produire un courant de deuxième fluide réfrigérant refroidi ; et une division du courant de deuxième fluide réfrigérant refroidi en au moins deux flux utilisés respectivement pour réaliser le pré-refroidissement du premier fluide réfrigérant et le pré-refroidissement du gaz épuré ;
- la température du gaz pré-refroidi est supérieure ou égale à -50°C ;
- le sous-refroidissement comprend : un échange de chaleur avec un cycle ouvert mettant en œuvre de l’azote liquide ; et/ou un échange de chaleur avec une vapeur produite par la détente du courant de gaz liquéfié sous-refroidi ;
- la détente du courant de liquide sous-refroidi produit une vapeur, le procédé comprenant en outre un mélange du gaz à traiter avec au moins une partie de la vapeur pour obtenir un mélange ;
- le procédé comprend en outre, préalablement à la liquéfaction du gaz pré-refroidi, une détente du gaz pré-refroidi ; et
- ledit courant de liquide obtenu présente une température comprise entre -115°C et -90°C en sortie de l’unité de liquéfaction.
L’invention a aussi pour objet une installation adaptée pour mettre en œuvre un procédé tel que décrit ci-dessus, comprenant :
- une unité d’épuration adaptée pour épurer un gaz à traiter comprenant au moins 50% en volume de méthane et obtenir un gaz épuré,
- une unité de pré-refroidissement adaptée pour pré-refroidir le gaz épuré et pour obtenir un gaz pré-refroidi à une température inférieure ou égale à -15°C,
- au moins un cycle frigorifique de pré-refroidissement pour réaliser un échange de chaleur avec le gaz épuré,
- une unité de liquéfaction adaptée pour liquéfier le gaz pré-refroidi et obtenir un courant de liquide, avec un sous-refroidissement du courant de liquide inférieur ou égal à 5°C en sortie de l’unité de liquéfaction, l’unité de liquéfaction incluant un cycle frigorifique de Stirling distinct dudit cycle frigorifique de pré-refroidissement et étant adaptée pour mettre en œuvre un premier fluide réfrigérant, le cycle frigorifique de Stirling étant adapté pour réaliser un pré-refroidissement du premier fluide réfrigérant,
- au moins un cycle frigorifique de pré-refroidissement distinct du cycle frigorifique de Stirling et adapté pour mettre en œuvre un deuxième fluide réfrigérant et pour réaliser un échange de chaleur avec le premier fluide réfrigérant afin d’obtenir ledit prérefroidissement du premier fluide réfrigérant, le cycle frigorifique de pré-refroidissement étant distinct d’un cycle de Stirling, - une unité de sous-refroidissement du courant de liquide pour obtenir un courant de liquide sous-refroidi, et
- une unité de détente pour détendre le courant de liquide sous-refroidi et obtenir un gaz liquéfié.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant au dessin annexé, sur lequel la figure 1 est une vue schématique d’une installation selon l’invention adaptée pourmettre en œuvre un procédé selon l’invention.
Dans tout ce qui suit, on désignera par les mêmes références un courant circulant dans une conduite et la conduite qui le transporte. Les termes « amont » et « aval » s’étendent généralement par rapport au sens normal de circulation d’un fluide.
1 Nm3/h signifie dans le présent document un mètre cube par heure à une pression de 101325 Pa et une température de 0°C.
En référence à la figure 1 , on décrit une installation 10 selon l’invention. L’installation est adaptée pour liquéfier un gaz à traiter 12 comprenant au moins 50% en volume de méthane et obtenir un gaz liquéfié 14 (c’est-à-dire un liquide), par exemple en vue de sa commercialisation sur le marché du GNL (Gaz Naturel Liquéfié) de détail. Le gaz liquéfié 14 est avantageusement stocké à une pression inférieure à 3 bar absolu (300 kPa).
Le gaz à traiter 12 est par exemple un biogaz, un gaz de réseau, un gaz de synthèse, ou plus généralement un gaz riche en méthane.
Dans le cas d’un biogaz, le gaz à traiter 12 peut contenir jusqu’à 45% en volume de CO2 et donc à peine 50 à 55% en volume de méthane.
Si le gaz à traiter 12 est un gaz fossile, sa teneur en méthane avant purification est généralement supérieure à 70% en volume.
Dans l’exemple représenté, l’installation 10 comprend un compresseur 16, suivi d’un refroidisseur 18, et une unité d’épuration 20 pour épurer le gaz à traiter 12 pour obtenir, de manière connue en soi, un gaz épuré 22 qui soit liquéfiable.
Selon des variantes non représentées, si le gaz à traiter 12 est à une pression suffisante, l’installation 10 est avantageusement dépourvue du compresseur 16 et du refroidisseur 18.
L’installation 10 comprend une unité de pré-refroidissement 24 pour pré-refroidir le gaz épuré 22 et obtenir un gaz pré-refroidi 26 à une température inférieure ou égale à - 15°C, et avantageusement supérieure à -50°C. Selon un mode de réalisation particulier, la température du gaz pré-refroidi 26 est comprise entre -45°C et -15°C.
Dans l’exemple, l’installation 10 comprend aussi une unité de détente 28 pour détendre le gaz pré-refroidi 26. L’installation 10 comprend une unité de liquéfaction 30 adaptée pour liquéfier le gaz pré-refroidi 26, et optionnellement détendu, et obtenir un courant de liquide 32, avec un sous-refroidissement du courant de liquide inférieur ou égal à 5°C, par exemple d’environ 3°C, en sortie de l’unité de liquéfaction 30.
L’installation 10 comprend une unité de sous-refroidissement 34 pour sous-refroidir le courant de liquide 32 pour obtenir un courant de liquide sous-refroidi 36, et une unité de détente 38 pour détendre le courant de liquide sous-refroidi 36 et obtenir le gaz liquéfié 14.
Dans l’exemple, l’installation 10 comprend un unique cycle frigorifique de prérefroidissement 40 pour réaliser, dans l’unité de pré-refroidissement 24, un échange de chaleur avec le gaz épuré 22, et pour réaliser, dans l’unité de liquéfaction 30, un prérefroidissement d’un premier fluide réfrigérant 42 mis en œuvre par l’unité de liquéfaction 30.
Par « cycle frigorifique», on entend un ensemble de canalisations et d’éléments (non représentés), tels que des compresseurs ou des turbines, adaptés pour faire subir à un fluide une série de transformations dans le but de générer du froid à un endroit du cycle, de manière connue en elle-même (cf. le préambule du présent document).
Selon une variante non représentée, l’installation 10 comporte deux cycles frigorifiques de pré-refroidissement distincts l’un de l’autre (dont les fluides ne se mélangent pas), l’un étant adapté pour apporter du froid à l’unité de pré-refroidissement 24, et l’autre à l’unité de liquéfaction 30.
Dans l’exemple, l’unité de détente 38 étant également adaptée pour produire une vapeur 44 riche en méthane, connue sous le nom de « gaz de flash », l’installation 10 comprend en outre un mélangeur 46 adapté pour mélanger le gaz à traiter 12 avec la vapeur 44 pour obtenir un mélange 48. Dit de manière plus simple, la vapeur est recyclée dans le gaz à traiter en amont de la compression.
Le compresseur 16, suivi du refroidisseur à température ambiante 18, permet de comprimer à la fois le gaz à traiter 12 et la vapeur 44, par exemple entre 19 et 40 bars absolus.
En l’absence du compresseur 16, par exemple parce que le gaz à traiter 12 serait déjà à une pression suffisante, seule la vapeur 44 est comprimée par un compresseur dédié (non représenté) avant d’être mélangée au gaz à traiter 12.
L’unité d’épuration 20 rend le gaz compressé liquéfiable à des températures cryogéniques, typiquement inférieures à -80°C. L’unité d’épuration 20 est classiquement adaptée pour éliminer du gaz à traiter 12 les composés volatils et les hydrocarbures lourds (dits « C6+ »), par exemple grâce à des charbons actifs (non représentés et connus en eux- mêmes). Pour abaisser le taux d’eau du gaz à traiter 12, au sein du mélange 48, jusqu’à quelques milliers de ppmv (partie par million, en volume), l’unité d’épuration 20 comprend par exemple un système de condensation (non-représenté). Pour abaisser le taux de CO2 à moins de 2,5%mol, un système membranaire (non représenté) est par exemple utilisé. Pour abaisser le taux de CO2 en dessous de 50 ppmv et le taux d’eau en dessous de 2 ppmv, des tamis moléculaires peuvent être utilisés (non représentés).
Le gaz épuré 22 comporte au moins 90% en volume de méthane s’il est issu d’un gaz fossile, voire 99% en volume et plus s’il est issu d’un biogaz.
L’unité de détente 28 comprend par exemple une vanne de Joule-Thomson ou une turbine de détente gazeuse.
L’unité de liquéfaction 30 inclut un cycle frigorifique de Stirling 50 distinct du cycle frigorifique de pré-refroidissement 40 et mettant en œuvre le premier fluide réfrigérant 42. L’unité de liquéfaction 30 est adaptée pour que le courant de liquide 32 ait une température comprise entre -1 15°C et -90°C en sortie de l’unité de liquéfaction 30.
Par « cycle frigorifique de Stirling 50 », on entend ici un cycle frigorifique mis en œuvre par une machine de Stirling 51 connue en elle-même de l’homme du métier.
La machine de Stirling 51 est un dispositif thermomécanique configuré pour réaliser un cycle thermodynamique régénéré, fermé, alternatif, monophasique. Le cycle comprend successivement des phases de compression et de détente du fluide de travail, ici le premier fluide réfrigérant 42, à des niveaux de température différents.
Le cycle est dit « régénéré », car le premier fluide réfrigérant 42 traverse un régénérateur (non représenté) dont le but est de refroidir ou de chauffer le premier fluide réfrigérant 42 selon son sens de transit.
Le cycle est dit « fermé », car le mouvement du premier fluide réfrigérant 42 est entièrement contrôlé par la variation de volumes internes de la machine de Stirling 51 , sans recours à des organes d’isolation des différentes parties occupées par le premier fluide réfrigérant 42, c’est-à-dire notamment sans recours à des vannes.
Le cycle est dit « alternatif », car, en chaque point des volumes internes occupé par le premier fluide réfrigérant 42, au moins une caractéristique thermodynamique du fluide, telle que la température ou la pression, n’est pas stationnaire durant le cycle.
Le cycle est dit « monophasique », en ce sens que le premier fluide réfrigérant 42 reste monophasique au cours du cycle.
Inversement, un cycle frigorifique est « distinct d’un cycle de Stirling » s’il n’est pas mis en œuvre par une machine de Stirling ou ne possède pas l’une des propriétés énoncées ci-dessus.
Le cycle frigorifique de Stirling 50 est en outre adapté pour réaliser un prérefroidissement du premier fluide réfrigérant 42 par échange de chaleur avec un deuxième fluide réfrigérant 52 mis en œuvre par le cycle frigorifique de pré-refroidissement 40, le deuxième fluide réfrigérant 52 s’échauffant par exemple de moins de 5°C au cours de cet échange de chaleur.
Le cycle frigorifique de Stirling 50 est avantageusement adapté pour pré-refroidir le premier fluide réfrigérant 42 à une température inférieure ou égale à -15°C.
Le cycle frigorifique de pré-refroidissement 40 utilisé n’est pas un cycle de Stirling. Le cycle frigorifique de pré-refroidissement 40 est par exemple un cycle à eau glycolée, un cycle au CO2, un cycle à ammoniac, un cycle au fréon, ou un cycle au propane, connus en eux-mêmes et qui ne seront pas décrits en détail.
Dans l’exemple, le cycle frigorifique de pré-refroidissement 40 comprend un module de refroidissement 54 pour produire un courant de deuxième fluide réfrigérant refroidi 56, et un diviseur 57 pour diviser le courant de deuxième fluide réfrigérant refroidi 56 en deux flux 58, 60 utilisés respectivement pour réaliser le pré-refroidissement du premier fluide réfrigérant 42 et le pré-refroidissement du gaz épuré. Le cycle frigorifique de prérefroidissement 40 comprend par exemple un mélangeur 62 adapté pour mélanger les deux flux 58, 60 après leurs passages respectifs dans l’unité de liquéfaction 30 et dans l’unité de pré-refroidissement 24 et pour reconstituer un flux de deuxième fluide réfrigérant 64 dirigé vers le module de refroidissement 54.
Le module de refroidissement 54 est adapté pour refroidir le flux de deuxième fluide réfrigérant 64 et produire le courant de deuxième fluide réfrigérant refroidi 56.
L’unité de sous-refroidissement 34 est par exemple adaptée pour refroidir le courant de liquide 32 par échange de chaleur avec un cycle ouvert 66 mettant en œuvre de l’azote liquide.
En variante ou en complément non représentés, l’unité de sous-refroidissement 34 est adaptée pour refroidir le courant de liquide 32 par échange de chaleur avec la vapeur 44 produite par l’unité de détente 38.
L’unité de détente 38 comprend avantageusement un module de détente 68 adapté pour détendre le courant de liquide sous-refroidi 36 et obtenir un courant sous-refroidi détendu 70 à une pression inférieure à 3 bars absolus, par exemple une pression de 2 bars absolus. L’unité de détente 38 comprend par exemple un ballon de flash 72 pour séparer le courant sous-refroidi détendu 70 en le gaz liquéfié 14, par exemple reçu dans un stockage 74, et la vapeur 44 recyclée en amont du compresseur 16.
Un procédé selon l’invention, mis en œuvre par l’installation 10, va maintenant être décrit rapidement.
Dans l’exemple, le gaz à traiter 12 et la vapeur 44 issue du ballon de flash sont mélangés par le mélangeur 46 pour former le mélange 48. Le gaz à traiter 12, au sein du mélange 48, est comprimé dans le compresseur 16, puis refroidi environ à la température ambiante, par exemple 20°C, dans le refroidisseur 18. Puis le gaz à traiter 12, dans l’exemple au sein du mélange 48, est épuré dans l’unité d’épuration 20 pour former le gaz épuré 22.
Le gaz épuré 22 est pré-refroidi dans l’unité de pré-refroidissement 24 jusqu’à une température inférieure à -15°C, par échange de chaleur avec le deuxième fluide réfrigérant 56, dans l’exemple avec le flux 60.
Optionnellement, le gaz pré-refroidi 26 est détendu dans l’unité de détente 28 pour obtenir un gaz pré-refroidi et détendu 76.
Ensuite, le gaz pré-refroidi et détendu 76 (ou le gaz pré-refroidi 26, en l’absence de la détente optionnelle) est liquéfié par l’unité de liquéfaction 30, avec un sous- refroidissement minime, inférieur ou égal à 5°C, par exemple d’environ 3°C. Dit autrement, la température du courant de liquide 32 en sortie de l’unité de liquéfaction 30 est de 3°C en dessous de la température de bulle du gaz pré-refroidi et détendu 76 (ou du gaz pré-refroidi 26, en l’absence de la détente optionnelle). La température du courant de liquide 32 en sortie de l’unité de liquéfaction 30 est comprise de préférence entre -1 15°C et -90°C.
L’unité de liquéfaction 30 met en œuvre le cycle frigorifique de Stirling 50, qui apporte le froid permettant la liquéfaction du gaz pré-refroidi 26.
Le cycle frigorifique de Stirling 50 réalise notamment un pré-refroidissement du premier fluide réfrigérant 42 à une température inférieure à -15°C, par échange de chaleur avec le flux 58 de deuxième fluide réfrigérant. Durant cet échange de chaleur, le deuxième fluide réfrigérant 52 s’échauffe de moins de 5°C.
Le courant de liquide 32 est ensuite sous-refroidi dans l’unité de sous- refroidissement 34, détendu dans le module de détente 68 à, par exemple, 2 bars absolus, et envoyé dans le ballon de flash 72. Le gaz liquéfié 14 est par exemple récupéré en pied du ballon de flash 72 et envoyé dans le stockage 74. Dans l’exemple représenté, le courant de liquide 32 est refroidi par échange de chaleur avec le cycle ouvert 66 à azote liquide. Dit autrement, de l’azote liquide est vaporisé et cède son froid à l’unité de sous-refroidissement 34.
La vapeur issue du ballon de flash 72, comme indiqué plus haut, est recyclée dans le gaz à traiter 12.
Dans le cycle frigorifique de pré-refroidissement 40 représenté, le flux de deuxième fluide réfrigérant 64 est refroidi par le module de refroidissement 54 pour produire le flux de deuxième fluide réfrigérant refroidi 56. Le courant de deuxième fluide réfrigérant refroidi 56 est divisé en les deux flux 58, 60. Le flux 60 passe dans l’unité de pré-refroidissement 24 pour céder du froid au gaz épuré 22 et réaliser le pré-refroidissement du gaz épuré. Le flux 58 passe dans l’unité de liquéfaction 30 pour céder du froid au cycle frigorifique de Stirling 50 et réaliser le pré-refroidissement du premier fluide réfrigérant 42. Après leurs passages respectifs dans l’unité de liquéfaction 30 et dans l’unité de pré-refroidissement 24, les deux flux 58, 60 sont mélangés pour reconstituer le flux de deuxième fluide réfrigérant 64.
Dans l’exemple, le pré-refroidissement du gaz épuré 22 et le pré-refroidissement du premier fluide réfrigérant 42 sont donc réalisés en parallèle par l’unique cycle frigorifique de pré-refroidissement 40.
Exemples de procédé
Ces exemples comprennent l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, selon toutes les combinaisons possibles.
Le gaz à traiter 12 est comprimé entre 19 et 40 bars absolus, par exemple à 40 bars absolus.
Le gaz épuré 22 est pré-refroidi entre -15°C et -50°C, par exemple à -35°C, par l’unité de pré-refroidissement 24.
Il n’y a pas de détente du gaz pré-refroidi 26 avant son entrée dans l’unité de liquéfaction 30.
La température du courant de liquide 32 en sortie de l’unité de liquéfaction 30 est entre -115°C et -90°C, par exemple de -90°C.
Le courant de liquide 32 est sous-refroidi par l’unité de sous-refroidissement 34 à une température permettant d’obtenir un taux d’évaporation molaire dans le ballon de flash 72 compris entre 20% et 50%, de préférence entre 20% et 25%.
Grâce aux caractéristiques décrites ci-dessus, le procédé permet de réduire le coût de production global du gaz liquéfié 14, en particulier pour des capacités de production inférieures à 2000 Nm3/h.
En effet, le pré-refroidissement du gaz épuré 22 jusqu’à une température entre - 15°C et -50°C, et le sous-refroidissement du courant liquide 32 sont réalisés par des systèmes dédiés (distincts de l’unité de liquéfaction 30) et à faible coûts. Dans l’unité de liquéfaction 30, le cycle frigorifique de Stirling 50 est lui-même pré-refroidi à une température inférieure à -15°C par un cycle frigorifique de pré-refroidissement 40 distinct, qui n’est pas un cycle de Stirling. Ceci améliore la performance du cycle frigorifique de Stirling 50.
Le sous-refroidissement du courant liquide 32 qui intervient dans l’unité de liquéfaction 30 est avantageusement réduit à 5°C ou moins. Le véritable sous- refroidissement est réalisé dans l’unité de sous-refroidissement 34 dédiée, et non par le cycle frigorifique de Stirling 50 de l’unité de liquéfaction 30.
Tout ceci minimise la dépense thermique de l’unité de liquéfaction 30, qui concentre à elle seule la moitié de la dépense énergétique globale dans l’art antérieur. La liquéfaction est réalisée par le cycle frigorifique de Stirling 50, qui est peu complexe. Ce cycle est bien adapté à un refroidissement ciblé et intègre avantageusement en une seule machine tous les éléments d’un refroidissement autonome.
Le sous-refroidissement, avantageusement réalisé à l’azote liquide, augmente encore les économies réalisées.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de liquéfaction d’un gaz à traiter (12) comprenant au moins 50% en volume de méthane, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- épuration du gaz à traiter (12) pour obtenir un gaz épuré (22),
- pré-refroidissement du gaz épuré (22) pour obtenir un gaz pré-refroidi (26) ayant une température inférieure ou égale à -15°C, le pré-refroidissement étant réalisé par échange de chaleur avec un cycle frigorifique de pré-refroidissement (40),
- liquéfaction du gaz pré-refroidi (26), dans une unité de liquéfaction (30), pour obtenir un courant de liquide (32), avec un sous-refroidissement du courant de liquide (32) inférieur ou égal à 5°C en sortie de l’unité de liquéfaction (30), l’unité de liquéfaction (30) incluant un cycle frigorifique de Stirling (50) distinct dudit cycle frigorifique de prérefroidissement (40) et mettant en œuvre un premier fluide réfrigérant (42), le cycle frigorifique de Stirling (50) comprenant un pré-refroidissement du premier fluide réfrigérant (42) par échange de chaleur avec un deuxième fluide réfrigérant (52) d’un cycle frigorifique de pré-refroidissement (40) distinct d’un cycle de Stirling,
- sous-refroidissement du courant de liquide (32) pour obtenir un courant de liquide sous-refroidi (36), et
- détente du courant de liquide sous-refroidi (36) pour obtenir un gaz liquéfié (14).
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel le cycle frigorifique de prérefroidissement (40) mis en œuvre dans l’étape de pré-refroidissement du gaz épuré (22) et le cycle frigorifique de pré-refroidissement (40) mis en œuvre pour le pré-refroidissement du premier fluide réfrigérant (42) forment un unique cycle frigorifique de pré-refroidissement (40).
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l’unique cycle frigorifique de prérefroidissement (40) est un cycle à eau glycolée, un cycle au CO2, un cycle à ammoniac, un cycle au fréon, ou un cycle au propane.
4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel l’unique cycle frigorifique de pré-refroidissement (40) comprend :
- un refroidissement du deuxième fluide réfrigérant (52) pour produire un courant de deuxième fluide réfrigérant refroidi (56), et
- une division du courant de deuxième fluide réfrigérant refroidi (56) en au moins deux flux (58, 60) utilisés respectivement pour réaliser le pré-refroidissement du premier fluide réfrigérant (42) et le pré-refroidissement du gaz épuré (22).
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la température du gaz pré-refroidi (26) est supérieure ou égale à -50°C.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le sous- refroidissement comprend :
- un échange de chaleur avec un cycle ouvert (66) mettant en œuvre de l’azote liquide, et/ou
- un échange de chaleur avec une vapeur (44) produite par la détente du courant de gaz liquéfié sous-refroidi.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la détente du courant de liquide sous-refroidi (36) produit une vapeur (44), le procédé comprenant en outre un mélange du gaz à traiter (12) avec au moins une partie de la vapeur (44) pour obtenir un mélange (48).
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant en outre, préalablement à la liquéfaction du gaz pré-refroidi (26), une détente du gaz pré-refroidi (26).
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel ledit courant de liquide (32) obtenu présente une température comprise entre -1 15°C et -90°C en sortie de l’unité de liquéfaction (30).
10. Installation adaptée pour mettre en œuvre un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant :
- une unité d’épuration (20) adaptée pour épurer un gaz à traiter (12) comprenant au moins 50% en volume de méthane et obtenir un gaz épuré (22),
- une unité de pré-refroidissement (24) adaptée pour pré-refroidir le gaz épuré (22) et pour obtenir un gaz pré-refroidi (26) à une température inférieure ou égale à -15°C,
- au moins un cycle frigorifique de pré-refroidissement (40) pour réaliser un échange de chaleur avec le gaz épuré (22),
- une unité de liquéfaction (30) adaptée pour liquéfier le gaz pré-refroidi (26) et obtenir un courant de liquide (32), avec un sous-refroidissement du courant de liquide (32) inférieur ou égal à 5°C en sortie de l’unité de liquéfaction (30), l’unité de liquéfaction (30) incluant un cycle frigorifique de Stirling (50) distinct dudit cycle frigorifique de prérefroidissement (40) et étant adaptée pour mettre en œuvre un premier fluide réfrigérant 14
(42), le cycle frigorifique de Stirling (50) étant adapté pour réaliser un pré-refroidissement du premier fluide réfrigérant (42),
- au moins un cycle frigorifique de pré-refroidissement (40) distinct du cycle frigorifique de Stirling (50) et adapté pour mettre en œuvre un deuxième fluide réfrigérant (52) et pour réaliser un échange de chaleur avec le premier fluide réfrigérant (42) afin d’obtenir ledit pré-refroidissement du premier fluide réfrigérant (42), le cycle frigorifique de pré-refroidissement (40) étant distinct d’un cycle de Stirling,
- une unité de sous-refroidissement (34) du courant de liquide (32) pour obtenir un courant de liquide sous-refroidi (36), et - une unité de détente (38) pour détendre le courant de liquide sous-refroidi (36) et obtenir un gaz liquéfié (14).
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