WO2023118353A1 - Dispositif et procédé de liquéfaction d'un gaz - Google Patents

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WO2023118353A1
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gas
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Rémi LINOTTE
Florian JALIA
Filali HAMZA
Davide DURI
Loïc PENIN
Pierre CHABERNAUD
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Engie
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    • F25J2270/16—External refrigeration with work-producing gas expansion loop with mutliple gas expansion loops of the same refrigerant

Definitions

  • the present invention relates to a device for liquefying a gas and a method for liquefying a gas. It applies, in particular, to the field of the liquefaction of a flow of dihydrogen.
  • Dihydrogen liquefaction is an energy-intensive process with a theoretical minimum energy consumption of 3.9 kWh per kilogram of liquid hydrogen produced.
  • the industrial cycles in operation today consume between 11 and 13 kWh/kgLFh
  • dihydrogen is used as a coolant or refrigerant, more than half of the consumption can be attributed to its compression. Improving the energy consumption of hydrogen compressors is therefore essential to reduce the final cost of hydrogen liquefaction.
  • Dihydrogen naturally exists in two forms depending on the spin number of its two protons: orthohydrogen (“o-H2”) and parahydrogen (“p-H2”).
  • the equilibrium composition of dihydrogen evolves with temperature, as represented in FIG. 1.
  • FIG. of parahydrogen in the hydrogen At room temperature, dihydrogen is composed of 75% orthohydrogen and 25% parahydrogen (this composition is subsequently called normal-hydrogen) while around 20 K, the liquefaction temperature, it is almost at 100% parahydrogen. If normal hydrogen is liquefied and stored, a slow conversion to the parahydrogen form occurs (over several days). The heat generated by this conversion vaporizes part of the stored liquid and therefore will generate a loss.
  • the temperature of the refrigerant varies along the refrigeration cycle and the composition changes slowly due to natural conversion.
  • the volumetric properties of orthohydrogen and parahydrogen are similar, the calorimetric properties are significantly different.
  • the natural exothermic conversion (orthohydrogen to parahydrogen) and the differences in physical properties between the two forms affect the performance of the refrigeration cycle and generate overconsumption at the level of the compressors of a closed refrigeration cycle. This effect is all the greater when the compression is carried out at low temperature and/or when the dihydrogen is stored at low temperature (in intermediate storage, for example).
  • the composition of dihydrogen when used as a refrigerant depends directly on the state of conversion of the hydrogen flow to be liquefied and this composition does not vary over time.
  • the hydrogen recycled in the cycle has a composition of 99% parahydrogen and mixes in a fixed proportion over time with the dihydrogen to be liquefied, the composition of which is normal.
  • Open hydrogen liquefaction cycles solve the problem of the evolution of the composition of hydrogen thanks to the step of converting the hydrogen to be liquefied. However, these cycles have low energy efficiency.
  • the present invention aims to remedy all or part of these drawbacks.
  • the present invention relates to a device according to claim 1.
  • the hydrogen liquefaction cycle controls the composition of the hydrogen used as refrigerant, for example by involving at least one catalytic reactor in the refrigeration cycle placed at a chosen temperature, in order to optimize the properties of the refrigerant and reduce the energy consumption of the device by having an operating equilibrium composition different from the natural equilibrium composition.
  • the closed refrigeration circuit is configured so that the dihydrogen refrigerant has, at the inlet of the catalytic reactor, a temperature essentially equal to the average temperature of the dihydrogen refrigerant in the closed circuit.
  • the catalytic reactor is positioned on a hot leg of the closed refrigeration circuit.
  • the catalytic reactor is configured to operate at a temperature between 31 K and 184 K. These embodiments allow optimal energy efficiency of the device.
  • the maintaining means is configured to maintain the proportion of parahydrogen in the internal composition of the flow of dihydrogen refrigerant between 27% and 96%. These embodiments allow optimal energy efficiency of the device.
  • the holding means comprises a bypass of the catalytic reactor configured to operate a predetermined flow rate ratio between the flow passing through the reactor and the flow passing through the bypass.
  • the closed circuit of hydrogen refrigerant is configured to maintain an average temperature of the hydrogen refrigerant between 31 K and 184 K. These embodiments allow optimum energy efficiency of the device.
  • the device which is the subject of the present invention comprises a circuit for pre-cooling the gas to be liquefied, said pre-cooling circuit comprising a heat exchanger between a flow of pre-cooling fluid and the flow of hydrogen refrigerant.
  • the gas to be liquefied is a stream essentially comprising dihydrogen.
  • At least one catalytic reactor is integrated with a heat exchanger. Integrating the catalyst into a heat exchanger makes it possible to obtain continuous conversion during the drop in temperature of the hydrogen to be liquefied, which reduces the overall energy consumption of the liquefaction process.
  • this catalytic exchanger for the hydrogen refrigerant stream allows the removal of a catalytic reactor, which reduces the cost and complexity of the overall process.
  • the closed refrigeration circuit comprises a compression stage with inter-cooling and at least one compression stage at a temperature below -40° C. of the dihydrogen refrigerant.
  • the catalytic reactor is positioned on a cold leg of the closed refrigeration circuit. These embodiments make it possible to lower the overall average temperature of the refrigerant flow in the closed transport circuit.
  • the closed refrigeration circuit comprises at least one compressor for dihydrogen refrigerant at room temperature and a storage tank for liquid dihydrogen refrigerant.
  • the catalytic reactor implements a catalyst comprising a member of the family of iron oxides and preferably Fe20s.
  • the present invention relates to a method for liquefying a gas, which comprises:
  • a gas transport step to be liquefied comprising at least one heat exchange step between the gas to be liquefied and a flow of dihydrogen refrigerant
  • a transport step in a closed refrigeration circuit, of the flow of dihydrogen refrigerant, the transport step comprising a step of maintaining an internal composition of the dihydrogen refrigerant according to a ratio of parahydrogen to orthohydrogen lower or higher than said corresponding ratio to a natural equilibrium composition in the closed refrigerant flow circuit, said holding means comprising a catalytic reaction stage for convert part of the orthohydrogen of the dihydrogen refrigerant into parahydrogen or vice versa.
  • Figure 1 schematically represents the evolution of the share of parahydrodrene in the internal composition of dihydrogen as a function of temperature
  • FIG. 2 represents, schematically, a first particular embodiment of the device which is the subject of the invention
  • FIG. 3 represents, schematically, a second particular embodiment of the device which is the subject of the invention.
  • FIG. 4 represents, schematically, a third particular embodiment of the device which is the subject of the invention.
  • FIG. 5 represents, schematically, a fourth particular embodiment of the device which is the subject of the invention.
  • FIG. 6 represents, schematically, a fifth particular embodiment of the device which is the subject of the invention.
  • FIG. 7 represents, schematically, a sixth particular embodiment of the device which is the subject of the invention.
  • FIG. 8 represents, schematically, a seventh particular embodiment of the device which is the subject of the invention.
  • FIG. 9 represents, schematically and in the form of a flowchart, a succession of steps of a particular embodiment of the method which is the subject of the invention.
  • FIG. 10 represents, schematically, an eighth particular embodiment of the device which is the subject of the invention.
  • inventive concepts can be implemented by one or more methods or devices described below, several examples of which are provided here.
  • the actions or steps carried out within the framework of the realization of the method or of the device can be ordered in any appropriate manner. Consequently, it is possible to construct embodiments in which the actions or steps are performed in a different order from that shown, which may include performing certain acts simultaneously, even though they are presented as sequential acts in the modes of achievement illustrated.
  • a reference to "A and/or B", when used in conjunction with an open language such as “comprising” may refer, in one embodiment, to A only (possibly including elements other than B); in another embodiment, to B only (possibly including elements other than A); in yet another embodiment, to A and B (possibly including other elements); etc
  • the expression "at least one”, in reference to a list of one or more elements, must be understood as meaning at least one element chosen from one or multiple items in the item list, but not necessarily including at least one of each item specifically listed in the item list and not excluding any combination of items in the item list.
  • This definition also allows for the optional presence of elements other than the specifically identified elements in the list of elements to which the expression “at least one” refers, whether or not they are related to these specifically identified elements.
  • “at least one of A and B” may refer, in one embodiment, to at least one, possibly including more than one, A, without B present (and optionally including elements other than B); in another embodiment, to at least one, optionally including more than one, B, without A present (and optionally including elements other than A); in yet another another embodiment, to at least one, optionally including more than one, A, and at least one, optionally including more than one, B (and optionally including other elements);
  • the gas 51 to be liquefied may be of any type that is ordinarily liquefied.
  • this gas 51 is dihydrogen.
  • the refrigerant stream is defined as comprising at least dihydrogen refrigerant.
  • the proportion of dihydrogen refrigerant depends on the particular use case of the present invention. In variants, the proportion of dihydrogen refrigerant in the refrigerant flow is at least 30%. In variants, the proportion of dihydrogen refrigerant in the refrigerant flow is at least 50%. In variants, the proportion of dihydrogen refrigerant in the refrigerant stream is at least 70%. In variants, the proportion of dihydrogen refrigerant in the refrigerant flow is at least 90%. In variants, the proportion of dihydrogen refrigerant in the refrigerant flow is at least 99%. In the following description, the terms “refrigerant flow” and “dihydrogen refrigerant” are used interchangeably.
  • the refrigerant dihydrogen 52 may originate from liquefied hydrogen 51 or come from a third-party source.
  • hot leg of a closed circuit at least a part of said circuit in which the temperature of the transported fluid decreases.
  • FIG. 2 A schematic view of an embodiment of the device 200 object of the present invention is observed in FIG. 2, which is not to scale.
  • This device 200 for liquefying a gas 51 comprises:
  • a circuit 55 for transporting gas to be liquefied comprising at least one heat exchanger 204 between the gas 51 to be liquefied and a refrigerant stream 52 comprising at least dihydrogen refrigerant
  • a closed refrigeration circuit 210 configured to transport essentially the refrigerant flow
  • the closed refrigeration circuit comprising a means 215 for maintaining an internal composition of the dihydrogen refrigerant according to a ratio of parahydrogen to orthohydrogen lower or higher than said ratio corresponding to a natural equilibrium composition in the closed refrigerant flow circuit
  • said holding means comprising a catalytic reactor 220 configured to convert part of the orthohydrogen of the dihydrogen refrigerant flow into parahydrogen or vice versa.
  • the transport circuit 55 is, for example, formed by a set of pipes configured to transport the gas 51 to be liquefied, the gas 51 coming from a source (not shown) and being transported to a fixed or mobile storage 56 .
  • This transport circuit 55 is configured to transport the gas 51 through at least one heat exchanger, 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 and/or 209.
  • Each exchanger, 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 and/or 209, may belong to a pre-cooling and/or cooling circuit.
  • the number and arrangement of heat exchangers, 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 and/or 209, depends on the configuration desired for the device 200, the specifications desired for the gas 51 in output of this device 200 and the energy performance desired for the device 200.
  • the gas 51 to be liquefied is dihydrogen in gaseous form, having a mass flow rate of 0.116 kg/s, a pressure of 21 bar and a temperature of 298 K.
  • the heat exchangers are organized as follows: the gas flow 51 first passes through a pre-cooling section, comprising:
  • the storage 56 can be a temporary storage for separation of the evaporation gas and the liquefied gas 51 .
  • the feed stream is composed of normal hydrogen (25% parahydrogen and 75% orthohydrogen) having a pressure of 21 bar, a temperature of 298 K (25°C) and a mass flow of 0.116 kg/s.
  • Stream 51 is first cooled to 83 K (-190°C) by the action of two heat exchangers. This stream 51 then enters a catalytic heat exchanger carrying out the first stage of the ortho-para conversion. Stream 51 leaves the pre-cooling part at a temperature of 80 K (-193° C.) and a composition formed of 49% parahydrogen.
  • the feed stream 51 reaches a temperature of 22 K (-251° C.) and a composition of 99% parahydrogen through a succession of six catalytic heat exchangers in series.
  • the final stage of liquefaction is carried out with an expansion valve which lowers the pressure to 2 bars.
  • the liquid part of the stream (98%) exits the device and the remaining gaseous part is transported to an exhaust gas management system.
  • FIG. 8 represents a variant of the circuit 55 for transporting gas 51, which comprises eight heat exchangers.
  • the heat exchangers are organized as follows: the gas flow 51 first passes through a pre-cooling section, comprising:
  • the gas flow 51 then passes through the cooling section, comprising:
  • each heat exchanger is, for example, a plate exchanger between a so-called “hot” fluid and a so-called “cold” fluid.
  • the gas 51 to be liquefied acts as a hot fluid.
  • the cold fluid depends on the implementation variants.
  • the exchangers of the cooling section implement the dihydrogen refrigerant as cold fluid
  • the exchangers of the pre-cooling section implement the dihydrogen refrigerant and a pre-cooling fluid.
  • the refrigeration circuit 210 is, for example, formed of a set of pipes configured to transport the dihydrogen 52 refrigerant.
  • This transport circuit 210 is configured to transport the dihydrogen 52 refrigerant through at least one heat exchanger, 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 and/or 209.
  • the configuration of the refrigeration circuit 210 depends the performance desired for the device 200 and the operating conditions provided for this device 200.
  • the dihydrogen 52 refrigerant is configured to have a temperature of between 171 K and 22 K, this dihydrogen 52 refrigerant being configured to cool the gas 51 to be liquefied.
  • the refrigeration circuit 210 is a closed circuit which comprises: a so-called “hot” branch, in which the refrigeration circuit 210 passes successively through:
  • the dihydrogen refrigerant at the outlet of the fourth exchanger 204 being supplied to the second compressor 213.
  • the refrigeration circuit 310 is a closed circuit, similar to the refrigeration circuit 210 as represented in FIG. 2, which has the following variants:
  • the holding means 315 is positioned on the first part of the cold leg, between the sixth heat exchanger 306 and the fifth heat exchanger 305 and
  • the second part of the cold leg originates from a deviation at the outlet of the fourth heat exchanger 304 along the hot leg.
  • the refrigeration circuit 410 is a closed circuit, similar to the refrigeration circuit 210 as represented in FIG. 2, in which the holding means 415 comprises two reactors, 420 and 421 , catalytic, located on either side of the fourth heat exchanger 404 along the hot leg.
  • the refrigeration circuit 510 is a closed circuit, similar to the refrigeration circuit 210 as represented in FIG. 2, which has the following variants:
  • the holding means 515 is positioned on the hot leg, between the fifth heat exchanger 505 and the sixth heat exchanger 506 and
  • the second part of the cold leg originates from a deviation at the outlet of the fourth heat exchanger 304 along the hot leg.
  • the refrigeration circuit 710 is a closed circuit, similar to the refrigeration circuit 210 as represented in FIG. 2, which has the following independent variants:
  • the flow 52 of dihydrogen at the outlet of the second regulator 216 is supplied to a fifth regulator 717, the flow from this fifth regulator 717 being supplied to the seventh heat exchanger 707,
  • the second compressor 213 is replaced by a compression stage 713 with intercooling, formed here by a succession of heat exchangers 719 and compressors 718,
  • the refrigeration circuit 810 is a closed circuit, similar to the refrigeration circuit 210 as represented in FIG. 2, which has the following variants:
  • the holding means 815 is positioned on the second part of the cold leg, between the sixth heat exchanger 806 and the fifth heat exchanger 805,
  • the second part of the cold leg originates from a deviation at the outlet of the third heat exchanger 803 along the hot leg
  • the first compressor 212 is replaced by a succession formed by a first compressor 812 and a heat exchanger 813 and
  • the second compressor 213 is replaced by a succession formed by a second compressor 817 and a heat exchanger 818.
  • the catalytic reactor 820 is positioned on a cold branch of the closed circuit 810 of refrigeration.
  • the closed circuit 810 of refrigeration comprising at least one compressor 817 of the dihydrogen refrigerant at room temperature and a tank 819 for storing the liquid dihydrogen refrigerant.
  • the closed circuit 210, 310, 410, 510, 610, 710 and/or 810 of dihydrogen refrigerant is configured to maintain an average temperature of the dihydrogen refrigerant between 31 K and 184 K.
  • the closed circuit 210 comprises a means 215 for maintaining the internal composition of the dihydrogen.
  • a holding means 215 comprises, for example, at least one catalytic reactor 220 configured to promote a predetermined ratio of parahydrogen to orthohydrogen. This ratio is selected so as to be lower or higher than the same ratio in a state of natural equilibrium of a closed circuit 210 not comprising any holding means 215.
  • the increase in the relative share of parahydrogen in the composition of the dihydrogen improves the performance of the dihydrogen in the heat exchanges taking place within the device 100.
  • the catalytic reactor 220 is positioned on a hot leg of the closed circuit 210 .
  • the catalytic reactor 320 is positioned on a cold leg of the closed circuit 310 .
  • the holding means 415 comprises two reactors, 420 and 421, catalytic, positioned on a hot leg of the circuit 210 closed. These two catalytic reactors, 420 and 421, are positioned, for example, on either side of a heat exchanger with the flow 51 of gas to be liquefied.
  • This heat exchanger is, for example, the fourth heat exchanger 404 in a general succession of a pre-cooling section with three heat exchangers, which corresponds to the first heat exchanger of the cooling section.
  • the catalytic reactor 520 is a so-called “short” reactor positioned on a hot leg of the closed circuit 510.
  • a catalytic reactor 620 and a bypass 616 of the reactor 620, positioned on a hot leg of the closed circuit 610.
  • the bypass 616 is, for example, a valve mounted on a pipe whose inlet is located upstream of the reactor 620 and the outlet is located downstream of the reactor 620. This valve can be slaved in flow to the flow passing through the reactor 620.
  • the bypass 616 is associated with a control device, such as a PLC for example, configured to send activation or deactivation commands to the bypass.
  • a control device such as a PLC for example, configured to send activation or deactivation commands to the bypass.
  • the holding means 1115 comprises at least one catalytic reactor 1120 integrated into a heat exchanger 204 .
  • the catalytic reactor 1120 can be integrated into any heat exchanger, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 or 209, of the closed circuit 52.
  • the catalytic reactor 220, 320, 420, 520, 620, 720 and/or 820 is configured to operate at a temperature between 31 K and 184 K. K.
  • Any heterogeneous catalyst having a paramagnetic activity, chemically compatible with dihydrogen and physically compatible with cryogenic temperatures can be implemented.
  • An example of such a catalyst is IONEX (registered trademark), that is to say a formulation containing Fe2O 3 from the family of iron oxides.
  • Another functional example is, for example, OXYSORB (registered trademark), that is to say a formulation containing CrO 4 .
  • the means, 215, 315, 415, 515, 615, 715 and/or 815, for maintaining is configured to maintain the share of parahydrogen in the internal composition of the flow of dihydrogen refrigerant between 27% and 96 %.
  • the cooling loop is a so-called “Claude” loop, at double pressure and the refrigerant used is hydrogen.
  • the refrigerant fluid 52 is first compressed to 29 bar by a multi-stage compressor 213.
  • the temperature of fluid 52 at the outlet of compressor 213 is approximately 171 K (-102°C).
  • the fluid 52 is cooled to 80 K (-193° C.) with two heat exchangers, 202 and 203, by exchange against a pre-cooling fluid, such as nitrogen for example. Fluid 52 then enters a cooling section and is cooled to 69 K (-204°C) in the first cooling heat exchanger 204.
  • the hydrogen flow 52 passes through a catalytic conversion reactor 220 where the hydrogen reaches an equilibrium composition for the operating temperature considered.
  • the hydrogen is for example composed of 58% parahydrogen and 42% orthohydrogen.
  • the hydrogen is thus slightly heated between 0.1 K and 0.5 K in steady state.
  • the refrigerant is then separated, 89% of the total flow is expanded, by an expansion valve 214, to 18.5 bars and reaches 60 K (-213° C.).
  • the stream 52 is then cooled to 51 K (-222°C) in a heat exchanger 206, then expanded with a two-stage expander 216 at 4.5 bars to reach 31.5 K (-241.5°C) . From this point, stream 52 is used as refrigerant in cooling heat exchangers 207, 206, 205 and 204.
  • the remaining part (11%) is cooled to 26 K through four heat exchangers, 205, 206, 207 and 208. This part is then expanded with an expansion valve 211 at 1.5 bar to reach 22 K.
  • the refrigerant liquid cools the feed stream to 22 K in two two-phase heat exchangers, 209 and 208, and four multi-stream heat exchangers, 207, 206, 205 and 204.
  • the two refrigerant flows at 4.5 and 1.5 bar leave the cooling section at 78 K (-195°C).
  • the low pressure flow is compressed to 4.5 in a first compressor 212.
  • the flow from the first compressor 212 is then mixed with the medium pressure flow before entering the second compressor 213.
  • the closed circuit, 210, 310, 410, 510, 610, 710 and/or 810, of refrigeration is configured so that the flow 52 of dihydrogen refrigerant present, at the inlet of the reactor, 220, 320, 420, 520, 620, 720 and/or 820, catalytic, a temperature essentially equal to the average temperature of the hydrogen 52 refrigerant in the closed circuit, 210, 310, 410, 510, 610, 710 and/or 810.
  • the device 200, 300, 400, 500, 600, 700 and/or 800 comprises a circuit 54 for precooling the gas to be liquefied, said pre-cooling circuit comprising at least one heat exchanger, 203, 303, 403, 503, 603, 703 and/or 802, between a flow of precooling fluid and the flow 52 of dihydrogen refrigerant.
  • the pre-cooling circuit 54 is configured to transport nitrogen having a temperature between 298 K and 80 K.
  • the purpose of such a pre-cooling circuit 54 is to cool the gas 51 to be liquefied and the refrigerant dihydrogen from 90 K to 80 K.
  • the pre-cooling circuit 54 is a closed circuit which comprises:
  • the pre-cooling fluid at the outlet of the dedicated heat exchanger 58 being supplied to the first exchanger, 201, 301, 401, 501 and/or 601, of heat and
  • the pre-cooling circuit 54 is similar to the cooling circuit 54 shown in Figures 2 to 6, the compressors? consisting of a succession of compressors.
  • the flow 54 of refrigerant is implemented in at least one heat exchanger 719 of the compression stage 713 with inter-cooling and in at least one compression stage 718 at a temperature below -40 °C.
  • the pre-cooling circuit 54 is an open circuit.
  • the pre-cooling from 300 K (27°C) to 80 K (-193°C) is carried out by a closed nitrogen loop.
  • the nitrogen is first compressed from 1 bar to 50 bar by a compressor 57 with several stages. This nitrogen is then cooled to 200 K (-73° C.) in a heat exchanger 201.
  • the nitrogen is then separated, 97% of the total flow is expanded to 1.1 bar in an expander 59 and reaches 81 K (-192° C.).
  • This nitrogen returns in the form of refrigerant in the first pre-cooling heat exchanger 201 .
  • the remaining part (3%) is cooled to 83 K (-190°C).
  • This part is then partially liquefied by an expansion valve 56 reaching 78 K (-195°C) and operates in the third heat exchanger 203 as the main refrigerant.
  • the remaining cold power of the nitrogen is used in the heat exchangers, 202 and 201, for pre-cooling.
  • FIG. 10 shows a succession of particular steps of the method 1000 which is the subject of the present invention.
  • This process 1000 for the liquefaction of a gas comprises:
  • step 1005 for transporting gas to be liquefied comprising at least one step 1010 of heat exchange between the gas to be liquefied and a refrigerant flow comprising at least dihydrogen refrigerant,
  • step 1015 of transport in a closed refrigeration circuit of the refrigerant flow, the transport step comprising a step 1020 of maintaining an internal composition of the dihydrogen refrigerant according to a ratio of parahydrogen to orthohydrogen lower or higher than said ratio corresponding to a natural equilibrium composition in the closed refrigerant flow circuit, said maintaining means comprising a stage 1025 of catalytic reaction to convert part of the orthohydrogen of the dihydrogen refrigerant into parahydrogen or vice versa.
  • a particular composition of the refrigerant dihydrogen object of the present invention comprises 58% parahydrogen and 42% orthohydrogen, this composition not being the natural equilibrium composition. This constitutes a compromise to obtain the best match of the thermal properties of the gas both during its compression and as a refrigerant.
  • the increase in the parahydrogen content has the main effect of inducing an increase in the thermal heat capacity of the hydrogen. This has the consequence of increasing the energy to be supplied or dissipated in order to modify its temperature. In compression, this has the effect of reducing the temperature increase between the inlet and the outlet, the density of the hydrogen thus decreasing less. The denser a gas, the easier it is to compress it. The compression power of the hydrogen is therefore all the more reduced as the latter is compressed in a form most converted into parahydrogen. As understood, the present invention exhibits high operating performance under the following operating conditions, with respect to the device 200 shown in FIG. 2: Table 1
  • the catalytic reactor 320 is positioned on a return leg of the cooling loop, which shifts the equilibrium of the cycle according to the temperature associated with it.
  • An interesting positioning of the reactor 320 is between the fifth heat exchanger 305 and the sixth heat exchanger 306.
  • the catalysis temperature is 54 K (-219°C) (for a composition of 74% p-H2 and 26% o-H2).
  • the catalytic conversion is carried out in several catalytic reactors, 420 and 421, arranged at different temperatures and thus aiming at a stepwise conversion of the refrigerant hydrogen.
  • a first conversion is carried out at 80 K (-193°C) bringing the hydrogen to a composition of 52% p-H2, then a second conversion is carried out at 69 K (-204°C) , bringing the hydrogen to the target composition of 58% p-H2.
  • a partial conversion at a temperature other than the target temperature associated with the target equilibrium composition is carried out.
  • the reactor 520 is dimensioned so that the passage time or the reactivity of the catalyst do not allow to reach thermodynamic equilibrium.
  • reactor 520 is placed at a catalysis temperature of 56 K (-217°C), but shortening the length of reactor 520 achieves the target composition of 58% p-H2 instead of the equilibrium of 70%p-H2 associated with the temperature of 56 K (-217°C).
  • the target composition can be selected using a partial reactor bypass device 620.
  • the final composition corresponds to the average of the output compositions of the reactor 620 and of the bypass 616 weighted by the respective flow rates passing through them.
  • the present invention is applied in the context of so-called cryogenic compression with intermediate cooling (called “intercooler”), that is to say cooling the refrigerant fluid between each stage.
  • cryogenic compression with intermediate cooling called “intercooler”
  • the placement of the catalytic reactor 820 is configured so that the compression takes place at ambient temperature. If the average temperature of the dihydrogen refrigerant remains below 184 K (-89° C.), which is for example the case if a buffer storage of liquid hydrogen is used after the valve 53.
  • the The increase in the parahydrogen content makes it possible to reduce the natural conversion in the buffer liquid storage, making it possible to reduce and move part of the losses associated with a location in the process less sensitive to heat releases.
  • the present invention is particularly suitable in the case of production of liquid hydrogen greater than five tons per day because the reduction in the need for investment and the stability of the process in operation allow a gain on the final cost of the liquefaction of hydrogen. .

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Abstract

Le dispositif (200) de liquéfaction d'un gaz (51), comporte : - un circuit (55) de transport de gaz à liquéfier comportant au moins un échangeur (204) de chaleur entre le gaz (51) à liquéfier et un flux (52) frigorigène comportant au moins du dihydrogène frigorigène, - un circuit (210) fermé de réfrigération configuré pour transporter le flux frigorigène, le circuit fermé de réfrigération comportant un moyen (215) de maintien d'une composition interne du dihydrogène frigorigène selon un rapport de parahydrogène sur orthohydrogène inférieur ou supérieur au dit rapport correspondant à une composition naturelle d'équilibre dans le circuit fermé de flux frigorigène, ledit moyen de maintien comportant un réacteur (220) catalytique configuré pour convertir une partie de l'orthohydrogène du flux de dihydrogène frigorigène en parahydrogène ou inversement.

Description

DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE LIQUÉFACTION D’UN GAZ
Domaine technique de l’invention
La présente invention vise un dispositif de liquéfaction d’un gaz et un procédé de liquéfaction d’un gaz. Elle s’applique, notamment, au domaine de la liquéfaction d’un flux de dihydrogène.
État de la technique
La liquéfaction du dihydrogène est un procédé énergivore avec une consommation énergétique minimale théorique de 3,9 kWh par kilogramme d’hydrogène liquide produit. Les cycles industriels en fonctionnement aujourd’hui consomment entre 11 et 13 kWh/kgLFh Lorsque le dihydrogène est utilisé en tant que fluide réfrigérant ou frigorigène, plus de la moitié de la consommation peut être attribuée à sa compression. Améliorer la consommation énergétique des compresseurs d’hydrogène est donc essentielle pour réduire le coût final de la liquéfaction d’hydrogène.
Le dihydrogène existe naturellement sous deux formes selon le nombre de spin de ses deux protons : l’orthohydrogène (« o-H2 ») et le parahydrogène (« p-H2 »). La composition d’équilibre du dihydrogène évolue avec la température, telle que représentée en figure 1. Dans la figure 1 , l’axe des abscisses 110 a pour dimension une température en degrés Kelvin et l’axe des ordonnées 105 a pour dimension le pourcentage de parahydrogène dans le l’hydrogène. A température ambiante, le dihydrogène est composé de 75 % d’orthohydrogène et de 25 % de parahydrogène (cette composition est par la suite appelée normal-hydrogène) tandis qu’aux alentours de 20 K, la température de liquéfaction, il est presque à 100 % de parahydrogène. Si du normal-hydrogène est liquéfié et stocké, une lente conversion vers la forme parahydrogène se manifeste (sur plusieurs jours). La chaleur engendrée par cette conversion vaporise une partie du liquide stocké et donc engendrera une perte.
Dans le cas où le dihydrogène sert de frigorigène, la température du fluide frigorigène varie le long du cycle de réfrigération et la composition évolue lentement du fait de la conversion naturelle. De plus, bien que les propriétés volumétriques de l’orthohydrogène et du parahydrogène soient semblables, les propriétés calorimétriques sont sensiblement différentes. Ainsi la conversion naturelle exothermique (orthohydrogène vers parahydrogène) et les différences de propriétés physiques entre les deux formes affectent les performances du cycle de réfrigération et génèrent une surconsommation au niveau des compresseurs d’un cycle fermé de réfrigération. Cet effet est d’autant plus important que la compression est effectuée à basse température et/ou que le dihydrogène est conservé à basse température (dans un stockage intermédiaire par exemple).
Pour des cycles de liquéfaction d’hydrogène ouverts, tels, par exemple, celui décrit dans le brevet US7559213, la composition du dihydrogène lorsqu’il est utilisé en tant que frigorigène dépend directement de l’état de la conversion du flux d’hydrogène à liquéfier et cette composition ne varie pas au cours du temps. En effet, l’hydrogène recyclé dans le cycle présente une composition de 99% parahydrogène et se mélange dans une proportion fixe dans le temps avec le dihydrogène à liquéfier dont la composition est normale.
Certains cycles de liquéfaction fermés utilisent le dihydrogène en tant que frigorigène. Au- dessus de 184 K (-89°C) la composition d’équilibre varie peu, de ce fait l’évolution de la composition et son impact sont largement négligeables.
Les récents développements ont mis en lumière des cycles de liquéfaction où la température moyenne de l’hydrogène utilisé comme frigorigène est inférieure à 184 K (-89°C). Dans « Advanced precooling for optimized hydrogen liquefaction », H2Tech, Mars 2021 , Howe, Skinner et Finn présentent un cycle fermé comprimant l’hydrogène à basse température, c’est-à-dire aux alentours de 120 K (-153 °C). La demande de brevet FR2105720 propose un cycle fermé où l’hydrogène utilisé comme frigorigène ne dépasse pas une température de 150 K (-123 °C). De ce fait, l’hydrogène est sujet à une conversion lente vers un état différent du normal-hydrogène. Dans « Large scale hydrogen liquefaction in combination with LNG re-gasification », 2006, Kuendig mentionne que le frigorigène comportera entre 30% et 50% de parahydrogène après un long temps d’opération sans donner d’ordre de grandeur.
À titre informatif, d’autres utilisations de la conversion ont été proposées dans la littérature, comme la demande de brevet FR2006278, qui présente un système convertissant le parahydrogène du gaz d’évaporation (« boil-off gas », en anglais) issu du stockage d’hydrogène liquide en aval du liquéfacteur afin d’utiliser les frigories générées pour refroidir le débit d’hydrogène à liquéfier, ou encore la publication « Enhanced dormancy due to para-to-ortho hydrogen conversion in insulated cryogenic pressure vessels for automotive applications » dans laquelle J.K. Peng utilise la conversion du parahydrogène en orthohydrogène pour ralentir la montée en pression d‘un stockage d’hydrogène cryo-comprimé.
Les cycles ouverts de liquéfaction d’hydrogène résolvent la problématique de l’évolution de la composition de l’hydrogène grâce à l’étape de conversion de l’hydrogène à liquéfier. Néanmoins ces cycles présentent une faible efficacité énergétique.
La littérature ne propose aucune solution pour le contrôle de la composition de l’hydrogène frigorigène pour un cycle de réfrigération fermé. De ce fait, la composition du frigorigène évolue lentement, ce qui a des effets imprévus et indésirables sur les échanges de chaleur et les performances des étapes de compression et de détente.
De plus, cette évolution dépend fortement des procédés considérés, des conditions extérieures et du facteur de charge de l’installation. Présentation de l’invention
La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients.
À cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif selon la revendication 1 .
Grâce à ces dispositions, le cycle de liquéfaction d’hydrogène contrôle la composition de l’hydrogène utilisé en tant que frigorigène, par exemple en faisant intervenir au moins un réacteur catalytique dans le cycle de réfrigération placé à une température choisie, afin d’optimiser les propriétés du frigorigène et diminuer la consommation énergétique du dispositif en ayant une composition d’équilibre de fonctionnement différente de la composition d'équilibre naturelle.
Ces dispositions permettent de convertir le normal-hydrogène jusqu’à une composition cible lors de l’initialisation du cycle de réfrigération et de contrer la conversion naturelle ayant lieu tout au long de la durée de vie de l’installation. De ce fait, les propriétés physiques du frigorigène restent inchangées et les pertes sont diminuées, évitant une surconsommation des équipements. Dans des modes de réalisation optionnels, le circuit fermé de réfrigération est configuré pour que le dihydrogène frigorigène présente, en entrée du réacteur catalytique, une température essentiellement égale à la température moyenne du dihydrogène frigorigène dans le circuit fermé.
Ces modes de réalisation permettent de minimiser l’impact thermique de la conversion de l’orthohydrogène en parahydrogène. Dans des modes de réalisation optionnels, le réacteur catalytique est positionné sur une branche chaude du circuit fermé de réfrigération.
Ces modes de réalisation permettent d’optimiser la teneur en parahydrogène en convertissant la majorité de l’hydrogène frigorigène à chaque passage dans le réacteur. Ces modes de réalisation permettent de réduire l’impact thermique de la conversion si la conversion a lieu sur la branche chaude au lieu de la branche froide qui sert de réfrigérant.
Dans des modes de réalisation optionnels, le réacteur catalytique est configuré pour opérer selon une température comprise entre 31 K et 184 K. Ces modes de réalisation permettent une efficacité énergétique optimale du dispositif.
Dans des modes de réalisation optionnels, le moyen de maintien est configuré pour maintenir la part de parahydrogène dans la composition interne du flux de dihydrogène frigorigène entre 27 % et 96 %. Ces modes de réalisation permettent une efficacité énergétique optimale du dispositif.
Dans des modes de réalisation optionnels, le moyen de maintien comporte un bipasse du réacteur catalytique configuré pour opérer un rapport de débit prédéterminé entre le flux traversant le réacteur et le flux traversant le bipasse. Ces modes de réalisation permettent un ajustement dynamique, proportionnel aux débits bipassés et traversant le réacteur, de la composition du dihydrogène.
Dans des modes de réalisation optionnels, le circuit fermé de dihydrogène frigorigène est configuré pour maintenir une température moyenne du dihydrogène frigorigène comprise entre 31 K et 184 K. Ces modes de réalisation permettent une efficacité énergétique optimale du dispositif.
Dans des modes de réalisation optionnels, le dispositif objet de la présente invention comporte un circuit de pré-refroidissement du gaz à liquéfier, ledit circuit de pré-refroidissement comportant un échangeur de chaleur entre un flux de fluide de pré-refroidissement et le flux de dihydrogène frigorigène. Ces modes de réalisation permettent une efficacité énergétique optimale du dispositif.
Dans des modes de réalisation optionnels, le gaz à liquéfier est un flux comportant essentiellement du dihydrogène.
Dans des modes de réalisation optionnels, au moins un réacteur catalytique est intégré à un échangeur de chaleur. Intégrer le catalyseur dans un échangeur de chaleur permet d’obtenir une conversion continue lors de la descente en température de l’hydrogène à liquéfier ce qui réduit la consommation énergétique globale du procédé de liquéfaction.
De plus, cet échangeur catalytique pour le flux de dihydrogène frigorigène permet d’enlever un réacteur catalytique, ce qui réduit le coût et la complexité du procédé global.
Dans des modes de réalisation optionnels, le circuit fermé de réfrigération comporte un étage de compression à inter-refroidissement et au moins un étage de compression à température inférieure à -40 °C du dihydrogène frigorigène. Ces dispositions permettent de limiter la montée en température du dihydrogène frigorigène et donc d’abaisser la température moyenne dans le circuit de refroidissement.
Dans des modes de réalisation optionnels, le réacteur catalytique est positionné sur une branche froide du circuit fermé de réfrigération. Ces modes de réalisation permettent d’abaisser la température moyenne globale du flux frigorigène dans le circuit fermé de transport.
Dans des modes de réalisation optionnels, le circuit fermé de réfrigération comporte au moins un compresseur du dihydrogène frigorigène à température ambiante et un ballon de stockage du dihydrogène frigorigène liquide.
Dans des modes de réalisation optionnels, le réacteur catalytique met en œuvre un catalyseur comportant un membre de la famille des oxydes de fer et préférentiellement Fe20s.
Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de liquéfaction d’un gaz, qui comporte :
- une étape de transport de gaz à liquéfier comportant au moins une étape d’échange de chaleur entre le gaz à liquéfier et un flux de dihydrogène frigorigène,
- une étape de transport, en circuit fermé de réfrigération, du flux de dihydrogène frigorigène, l’étape de transport comportant une étape de maintien d’une composition interne du dihydrogène frigorigène selon un rapport de parahydrogène sur orthohydrogène inférieur ou supérieur au dit rapport correspondant à une composition naturelle d’équilibre dans le circuit fermé de flux frigorigène, ledit moyen de maintien comportant une étape de réaction catalytique pour convertir une partie de l’orthohydrogène du dihydrogène frigorigène en parahydrogène ou inversement.
Les avantages du procédé objet de la présente invention sont similaires à ceux du dispositif objet de la présente invention.
Brève description des figures
D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du dispositif et du procédé objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 représente, schématiquement, l’évolution de la part de parahydrodrène dans la composition interne du dihydrogène en fonction de la température,
La figure 2 représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention,
La figure 3 représente, schématiquement, un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention,
La figure 4 représente, schématiquement, un troisième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention,
La figure 5 représente, schématiquement, un quatrième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention,
La figure 6 représente, schématiquement, un cinquième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention,
La figure 7 représente, schématiquement, un sixième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention,
La figure 8 représente, schématiquement, un septième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention,
La figure 9 représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une succession d’étapes d’un mode de réalisation particulier du procédé objet de l’invention et
La figure 10 représente, schématiquement, un huitième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention.
Description des modes de réalisation
La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.
Comme on le comprend à la lecture de la présente description, divers concepts inventifs peuvent être mis en œuvre par une ou plusieurs méthodes ou dispositifs décrits ci-après, dont plusieurs exemples sont ici fournis. Les actions ou étapes réalisées dans le cadre de la réalisation du procédé ou du dispositif peuvent être ordonnées de toute manière appropriée. En conséquence, il est possible de construire des modes de réalisation dans lesquels les actions ou étapes sont exécutées dans un ordre différent de celui illustré, ce qui peut inclure l'exécution de certains actes simultanément, même s'ils sont présentés comme des actes séquentiels dans les modes de réalisation illustrés.
Les articles indéfinis "un" et "une", tels qu'ils sont utilisés dans la description et dans les revendications, doivent être compris comme signifiant "au moins un", sauf indication claire du contraire.
L'expression "et/ou", telle qu'elle est utilisée dans le présent document et dans les revendications, doit être comprise comme signifiant 'Tun ou l'autre ou les deux" des éléments ainsi conjoints, c'est-à-dire des éléments qui sont présents de manière conjonctive dans certains cas et de manière disjonctive dans d'autres cas. Les éléments multiples énumérés avec "et/ou" doivent être interprétés de la même manière, c'est-à-dire "un ou plusieurs" des éléments ainsi conjoints. D'autres éléments peuvent éventuellement être présents, autres que les éléments spécifiquement identifiés par la clause "et/ou", qu'ils soient liés ou non à ces éléments spécifiquement identifiés. Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, une référence à "A et/ou B", lorsqu'elle est utilisée conjointement avec un langage ouvert tel que "comprenant" peut se référer, dans un mode de réalisation, à A seulement (incluant éventuellement des éléments autres que B) ; dans un autre mode de réalisation, à B seulement (incluant éventuellement des éléments autres que A) ; dans un autre mode de réalisation encore, à A et B (incluant éventuellement d'autres éléments) ; etc.
Tel qu'utilisé ici dans la description et dans les revendications, "ou" doit être compris comme ayant la même signification que "et/ou" tel que défini ci-dessus. Par exemple, lorsqu'on sépare des éléments dans une liste, "ou" ou "et/ou" doit être interprété comme étant inclusif, c'est- à-dire l'inclusion d'au moins un, mais aussi de plus d'un, d'un nombre ou d'une liste d'éléments, et, facultativement, d'éléments supplémentaires non listés. Seuls les termes indiquant clairement le contraire, tels que "un seul des" ou "exactement un des", ou, lorsqu'ils sont utilisés dans les revendications, "consistant en", font référence à l'inclusion d'un seul élément d'un nombre ou d'une liste d'éléments. En général, le terme "ou" tel qu'il est utilisé ici ne doit être interprété comme indiquant des alternatives exclusives (c'est-à-dire 'Tun ou l'autre mais pas les deux") que lorsqu'il est précédé de termes d'exclusivité, tels que "soit", 'Tun de", "un seul de" ou "exactement un de".
Telle qu'elle est utilisée dans la présente description et dans les revendications, l'expression "au moins un", en référence à une liste d'un ou de plusieurs éléments, doit être comprise comme signifiant au moins un élément choisi parmi un ou plusieurs éléments de la liste d'éléments, mais n'incluant pas nécessairement au moins un de chaque élément spécifiquement énuméré dans la liste d'éléments et n'excluant pas toute combinaison d'éléments dans la liste d'éléments. Cette définition permet également la présence facultative d'éléments autres que les éléments spécifiquement identifiés dans la liste des éléments auxquels l'expression "au moins un" fait référence, qu'ils soient liés ou non à ces éléments spécifiquement identifiés. Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, "au moins l'un de A et B" (ou, de manière équivalente, "au moins l'un de A ou B", ou, de manière équivalente, "au moins l'un de A et/ou B") peut se référer, dans un mode de réalisation, à au moins un, incluant éventuellement plus d'un, A, sans B présent (et incluant éventuellement des éléments autres que B) ; dans un autre mode de réalisation, à au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, B, sans A présent (et comprenant éventuellement des éléments autres que A) ; dans encore un autre mode de réalisation, à au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, A, et au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, B (et comprenant éventuellement d'autres éléments) ; etc.
Dans les revendications, ainsi que dans la description ci-dessous, toutes les expressions transitoires telles que "comprenant", "incluant", "portant", "ayant", "contenant", "impliquant", "tenant", "composé de", et autres, doivent être comprises comme étant ouvertes, c'est-à-dire comme signifiant incluant mais non limité à. Seules les expressions transitoires "consistant en" et "consistant essentiellement en" doivent être comprises comme des expressions transitoires fermées ou semi-fermées, respectivement.
On note dès à présent que les figures ne sont pas à l’échelle.
Le gaz 51 à liquéfier peut-être de tout type ordinairement liquéfié. Préférentiellement, ce gaz 51 est du dihydrogène.
Le flux frigorigène est défini comme comportant au moins du dihydrogène frigorigène. La proportion de dihydrogène frigorigène dépend du cas d’usage particulier de la présente invention. Dans des variantes, la proportion de dihydrogène frigorigène dans le flux frigorigène est au moins de 30 %. Dans des variantes, la proportion de dihydrogène frigorigène dans le flux frigorigène est au moins de 50 %. Dans des variantes, la proportion de dihydrogène frigorigène dans le flux frigorigène est au moins de 70 %. Dans des variantes, la proportion de dihydrogène frigorigène dans le flux frigorigène est au moins de 90 %. Dans des variantes, la proportion de dihydrogène frigorigène dans le flux frigorigène est au moins de 99 %. Dans la description qui suit, les termes « flux frigorigène » et « dihydrogène frigorigène » sont utilisés de manière interchangeable.
Le dihydrogène frigorigène 52 peut avoir comme origine le dihydrogène liquéfié 51 ou provenir d’une source tierce.
On appelle « branche chaude » d’un circuit fermé au moins une partie dudit circuit dans laquelle la température du fluide transporté diminue.
On appelle « branche froide » d’un circuit fermé au moins une partie dudit circuit dans laquelle la température du fluide transporté augmente.
On observe, sur la figure 2, qui n’est pas à l’échelle, une vue schématique d’un mode de réalisation du dispositif 200 objet de la présente invention. Ce dispositif 200 de liquéfaction d’un gaz 51 , comporte :
- un circuit 55 de transport de gaz à liquéfier comportant au moins un échangeur 204 de chaleur entre le gaz 51 à liquéfier et un flux 52 frigorigène comportant au moins du dihydrogène frigorigène, - un circuit 210 fermé de réfrigération configuré pour transporter essentiellement le flux frigorigène, le circuit fermé de réfrigération comportant un moyen 215 de maintien d’une composition interne du dihydrogène frigorigène selon un rapport de parahydrogène sur orthohydrogène inférieur ou supérieur au dit rapport correspondant à une composition naturelle d’équilibre dans le circuit fermé de flux frigorigène, ledit moyen de maintien comportant un réacteur 220 catalytique configuré pour convertir une partie de l’orthohydrogène du flux de dihydrogène frigorigène en parahydrogène ou inversement.
Le circuit 55 de transport, est par exemple, formé d’un ensemble de conduites configurées pour transporter le gaz 51 à liquéfier, le gaz 51 provenant d’une source (non représentée) et étant transporté jusqu’à un stockage 56 fixe ou mobile. Ce circuit 55 de transport est configuré pour transporter le gaz 51 à travers au moins un échangeur de chaleur, 201 , 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 et/ou 209. Chaque échangeur, 201 , 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 et/ou 209, peut appartenir à un circuit de pré-refroidissement (« pre-cooling », en anglais) et/ou de refroidissement (« cooling », en anglais). Le nombre et l’agencement d’échangeurs de chaleur, 201 , 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 et/ou 209, dépend de la configuration souhaitée pour le dispositif 200, des spécifications souhaitées pour le gaz 51 en sortie de ce dispositif 200 et des performances énergétiques souhaitées pour le dispositif 200.
Dans des modes de réalisations, le gaz 51 à liquéfier est du dihydrogène sous forme gazeuse, présentant un débit massique de 0,116 kg/s, une pression de 21 bar et une température de 298 K.
Les modes de réalisations, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 1100, représentés en figures
2 à 7 et 10 comportent, chacun, neuf échangeurs de chaleur en succession. Dans ces figures 2 à 7 et 10, les échangeurs de chaleur sont organisés de la manière suivante : le flux de gaz 51 traverse d’abord une section de pré-refroidissement, comportant :
- un premier échangeur, 201 , 301 , 401 , 501 , 601 , 701 ,
- un deuxième échangeur, 202, 302, 402, 502, 602, 702 et
- un troisième échangeur, 203, 303, 403, 503, 603, 703, le flux de gaz 51 traverse ensuite section de refroidissement, comportant :
- un quatrième échangeur, 204, 304, 404, 504, 604, 704,
- un cinquième échangeur, 205, 305, 405, 505, 605, 705,
- un sixième échangeur, 206, 306, 406, 506, 606, 706,
- un septième échangeur, 207, 307, 407, 507, 607, 707,
- un huitième échangeur, 208, 308, 408, 508, 608, 708 et
- un neuvième échangeur, 209, 309, 409, 509, 609, 709, le flux de gaz 51 liquéfié étant ensuite acheminé vers le stockage 56, optionnellement en traversant préalablement une vanne 53 de détente, dite « Joule-Thomson ». Le stockage 56 peut être un stockage temporaire de séparation du gaz d’évaporation et du gaz 51 liquéfié.
Comme on le comprend, par exemple, le flux d'alimentation est composé d'hydrogène normal (25 % de parahydrogène et 75 % d'orthohydrogène) présentant une pression de 21 bar, une température de 298 K (25 °C) et un débit massique de 0,116 kg/s. Le flux 51 est d'abord refroidi à 83 K (-190 °C) par l’action de deux échangeurs de chaleur. Ce flux 51 entre ensuite dans un échangeur de chaleur catalytique réalisant la première étape de la conversion ortho-para. Le flux 51 sort de la partie de pré-refroidissement à une température de 80 K (-193 °C) et une composition formée de 49 % de parahydrogène.
Dans la partie de refroidissement, le flux 51 d'alimentation atteint une température de 22 K (-251 °C) et une composition de 99 % de parahydrogène à travers une succession de six échangeurs de chaleur catalytiques en série. L'étape finale de la liquéfaction est effectuée avec une vanne de détente qui abaisse la pression à 2 bars. La partie liquide du flux (98 %) sort du dispositif et la partie gazeuse restante est transportée vers un système de gestion des gaz d'échappement.
La figure 8 représente une variante du circuit 55 de transport de gaz 51 , qui comporte huit échangeurs de chaleur. Dans cette variante, les échangeurs de chaleur sont organisés de la manière suivante : le flux de gaz 51 traverse d’abord une section de pré-refroidissement, comportant :
- un premier échangeur 801 et
- un deuxième échangeur 802, le flux de gaz 51 traverse ensuite section de refroidissement, comportant :
- un troisième échangeur 803,
- un quatrième échangeur 804,
- un cinquième échangeur 805,
- un sixième échangeur 806,
- un septième échangeur 807 et
- un huitième échangeur 808, le flux de gaz 51 liquéfié étant ensuite acheminé vers le stockage 56.
En ce qui concerne les modes de réalisation illustrés en figures 2 à 8 et 10, chaque échangeur de chaleur est, par exemple, un échangeur à plaque entre un fluide dit « chaud » et un fluide dit « froid ». Dans chaque tel échangeur de chaleur, le gaz 51 à liquéfier agit en tant que fluide chaud. Le fluide froid dépend des variantes d’implémentation. Par exemple, dans les figures 2 à 8 et 10, les échangeurs de la section de refroidissement mettent en œuvre le dihydrogène frigorigène en tant que fluide froid, tandis que les échangeurs de la section de pré-refroidissement mettent en œuvre le dihydrogène frigorigène et un fluide de pré-refroidissement.
Ainsi, comme on le comprend, tout ou partie des échangeurs de chaleur est traversé par le circuit 210 fermé de réfrigération. Le circuit 210 de réfrigération, est par exemple, formé d’un ensemble de conduites configurées pour transporter le dihydrogène 52 frigorigène. Ce circuit 210 de transport est configuré pour transporter le dihydrogène 52 frigorigène à travers au moins un échangeur de chaleur, 201 , 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 et/ou 209. La configuration du circuit 210 de réfrigération dépend des performances souhaitées pour le dispositif 200 et des conditions opératoires prévues pour ce dispositif 200.
Dans des modes de réalisation, le dihydrogène 52 frigorigène est configuré pour présenter une température comprise entre 171 K et 22 K, ce dihydrogène 52 frigorigène étant configuré pour refroidir le gaz 51 à liquéfier.
Dans le mode de réalisation du dispositif 200 représenté en figure 2, le circuit 210 de réfrigération est un circuit fermé qui comporte : une branche dite « chaude », dans laquelle le circuit 210 de réfrigération traverse successivement :
- le deuxième échangeur 202 de chaleur,
- le troisième échangeur 203 de chaleur,
- le quatrième échangeur 204 de chaleur,
- le moyen 215 de maintien d’une composition interne du dihydrogène,
- le cinquième échangeur 205 de chaleur,
- le sixième échangeur 206 de chaleur,
- le septième échangeur 207 de chaleur,
- le huitième échangeur 208 de chaleur et une vanne 211 de détente, une branche dite « froide », formée de deux parties :
- une première partie, ayant pour origine la sortie de la vanne 211 de détente, dans laquelle le circuit 210 de réfrigération traverse successivement :
- le neuvième échangeur 209 de chaleur,
- le huitième échangeur 208 de chaleur
- le septième échangeur 207 de chaleur,
- le sixième échangeur 206 de chaleur,
- le cinquième échangeur 205 de chaleur,
- le quatrième échangeur 204 de chaleur,
- un premier compresseur 212,
- un deuxième compresseur 213, le dihydrogène frigorigène en sortie du deuxième compresseur 213 étant fourni au deuxième échangeur 202 de chaleur et une deuxième partie, ayant pour origine une déviation située en sortie du moyen 215 de maintien, dans laquelle le circuit 210 de réfrigération traverse successivement :
- un premier détendeur 214,
- le sixième échangeur 206 de chaleur, - un deuxième détendeur 216,
- le septième échangeur 207 de chaleur,
- le sixième échangeur 206 de chaleur,
- le cinquième échangeur 205 de chaleur,
- le quatrième échangeur 204 de chaleur, le dihydrogène frigorigène en sortie du quatrième échangeur 204 étant fourni au deuxième compresseur 213.
Dans le mode de réalisation du dispositif 300 représenté en figure 3, le circuit 310 de réfrigération est un circuit fermé, similaire au circuit 210 de réfrigération tel que représenté en figure 2, qui présente les variantes suivantes :
- le moyen 315 de maintien est positionné sur la première partie de la branche froide, entre le sixième échangeur 306 de chaleur et le cinquième échangeur 305 de chaleur et
- la deuxième partie de la branche froide a pour origine une déviation en sortie du quatrième échangeur 304 de chaleur le long de la branche chaude.
Dans le mode de réalisation du dispositif 400 représenté en figure 4, le circuit 410 de réfrigération est un circuit fermé, similaire au circuit 210 de réfrigération tel que représenté en figure 2, dans lequel le moyen 415 de maintien comporte deux réacteurs, 420 et 421 , catalytiques, situés de part et d’autre du quatrième échangeur 404 de chaleur le long de la branche chaude.
Dans le mode de réalisation du dispositif 500 représenté en figure 5, le circuit 510 de réfrigération est un circuit fermé, similaire au circuit 210 de réfrigération tel que représenté en figure 2, qui présente les variantes suivantes :
- le moyen 515 de maintien est positionné sur branche chaude, entre le cinquième échangeur 505 de chaleur et le sixième échangeur 506 de chaleur et
- la deuxième partie de la branche froide a pour origine une déviation en sortie du quatrième échangeur 304 de chaleur le long de la branche chaude.
Dans le mode de réalisation du dispositif 700 représenté en figure 7, le circuit 710 de réfrigération est un circuit fermé, similaire au circuit 210 de réfrigération tel que représenté en figure 2, qui présente les variantes indépendantes suivantes :
- sur la deuxième partie de la branche froide, le flux 52 de dihydrogène en sortie du deuxième détendeur 216 est fourni à un cinquième détendeur 717, le flux issu de ce cinquième détendeur 717 étant fourni au septième échangeur 707 de chaleur,
- le premier compresseur 212 est remplacé par un premier compresseur 712,
- le deuxième compresseur 213 est remplacé par un étage de compression 713 à interrefroidissement, formé ici d’une succession d’échangeurs 719 de chaleur et de compresseurs 718,
- le flux 52 de dihydrogène en sortie de l’étage de compression 713 à inter-refroidissement étant fourni au quatrième échangeur 704 de chaleur. Dans le mode de réalisation du dispositif 800 représenté en figure 8, le circuit 810 de réfrigération est un circuit fermé, similaire au circuit 210 de réfrigération tel que représenté en figure 2, qui présente les variantes suivantes :
- le moyen 815 de maintien est positionné sur la deuxième partie de la branche froide, entre le sixième échangeur 806 de chaleur et le cinquième échangeur 805 de chaleur,
- la deuxième partie de la branche froide a pour origine une déviation en sortie du troisième échangeur 803 de chaleur le long de la branche chaude,
- le flux de dihydrogène sortant du troisième détendeur 214 est fourni au cinquième échangeur 805 de chaleur,
- le flux de dihydrogène sortant du cinquième échangeur 805 de chaleur est fourni au quatrième détendeur 216,
- le premier compresseur 212 est remplacé par une succession formée d’un premier compresseur 812 et d’un échangeur 813 de chaleur et
- le deuxième compresseur 213 est remplacé par une succession formée d’un deuxième compresseur 817 et d’un échangeur 818 de chaleur.
Dans des modes de réalisation du dispositif 800, tel que celui représenté en figure 8, le réacteur 820 catalytique est positionné sur une branche froide du circuit fermé 810 de réfrigération.
Dans des modes de réalisation du dispositif 800, tel que celui représenté en figure 8, le circuit 810 fermé de réfrigération comportant au moins un compresseur 817 du dihydrogène frigorigène à température ambiante et un ballon 819 de stockage du dihydrogène frigorigène liquide.
Dans des modes de réalisations particuliers, tels que ceux illustrés en figures 2 à 8 et 10, le circuit, 210, 310, 410, 510, 610, 710 et/ou 810, fermé de dihydrogène frigorigène est configuré pour maintenir une température moyenne du dihydrogène frigorigène comprise entre 31 K et 184 K.
Comme on le comprend, le circuit 210 fermé comporte un moyen 215 de maintien de la composition interne du dihydrogène. Un tel moyen 215 de maintien comporte, par exemple, au moins un réacteur 220 catalytique configuré pour favoriser un rapport prédéterminé de parahydrogène sur orthohydrogène. Ce rapport est sélectionné de sorte à être inférieur ou supérieur au même rapport dans un état d’équilibre naturel d’un circuit 210 fermé ne comportant pas de moyen 215 de maintien. L’augmentation de la part relative de parahydrogène dans la composition du dihydrogène améliore les performances du dihydrogène dans les échanges de chaleur ayant lieu au sein du dispositif 100.
Dans des modes 200 de réalisation particulier, tel que représenté en figure 2, le réacteur 220 catalytique est positionné sur une branche chaude du circuit 210 fermé.
Dans des modes 300 de réalisation particulier, tel que représenté en figure 3, le réacteur 320 catalytique est positionné sur une branche froide du circuit 310 fermé. Dans des modes 400 de réalisations particuliers, tel que représenté en figure 4, le moyen 415 de maintien comporte deux réacteurs, 420 et 421 , catalytiques, positionnés sur une branche chaude du circuit 210 fermé. Ces deux réacteurs, 420 et 421 , catalytiques sont positionnés, par exemple, de part et d’autre d’un échangeur de chaleur avec le flux 51 de gaz à liquéfier. Cet échangeur de chaleur est, par exemple, le quatrième échangeur 404 de chaleur dans une succession générale d’une section de pré-refroidissement à trois échangeurs de chaleur, ce qui correspond au premier échangeur de chaleur de la section de refroidissement.
Dans des modes 500 de réalisations particuliers, tel que représenté en figure 5, le réacteur 520 catalytique est un réacteur dit « court » positionné sur une branche chaude du circuit 510 fermé.
Dans des modes 600 de réalisations particulières, tel que représenté en figure 6, le moyen
615 de maintien comporte un réacteur 620 catalytique et un bipasse 616 du réacteur 620, positionnés sur une branche chaude du circuit 610 fermé.
Le bipasse 616 est, par exemple, une vanne montée sur une conduite dont l’entrée est située en amont du réacteur 620 et la sortie est située en aval du réacteur 620. Cette vanne peut être asservie en débit au débit traversant le réacteur 620.
Dans des variantes, le bipasse 616 est associé à un organe de contrôle, tel un automate par exemple, configuré pour émettre des commandes d’activation ou de désactivation au bipasse
616 en fonction de critères d’activations déterminés.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 10, présentée de manière non limitative en tant que variante de la figure 2, le moyen 1115 de maintien comporte au moins un réacteur 1120 catalytique intégré à un échangeur 204 de chaleur. Le réacteur 1120 catalytique peut être intégré à n’importe quel échangeur, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 ou 209, de chaleur du circuit fermé 52.
Dans des modes de réalisations particuliers, tels que ceux représentés en figures 2 à 8, le réacteur, 220, 320, 420, 520, 620, 720 et/ou 820, catalytique est configuré pour opérer selon une température comprise entre 31 K et 184 K.
Tout catalyseur hétérogène ayant une activité paramagnétique, compatible chimiquement avec le dihydrogène et compatible physiquement avec des températures cryogéniques peut être mis en œuvre. Un exemple d’un tel catalyseur est l’IONEX (Marque déposée), c’est-à-dire une formulation contenant Fe2O3 de la famille des oxydes de fer. Un autre exemple fonctionnel est, par exemple, l’OXYSORB (Marque déposée) c’est-à-dire une formulation contenant du CrO4. Une liste non exhaustive de catalyseurs connus de la littérature et compatibles est donnée ci-dessous :
- Cr2Ü3,
- Cr(OH)3,
- Mn(OH)4,
- Fe(OH)4, - CO(OH)3 et
- Ni(OH)2.
Dans des modes de réalisations préférentiels, le moyen, 215, 315, 415, 515, 615, 715 et/ou 815, de maintien est configuré pour maintenir la part de parahydrogène dans la composition interne du flux de dihydrogène frigorigène entre 27 % et 96 %.
Comme on le comprend, par exemple, la boucle de refroidissement est une boucle, dite « de Claude », à double pression et le frigorigène utilisé est l'hydrogène. Le fluide 52 frigorigène est d'abord comprimé à 29 bars par un compresseur 213 multi-étages. La température du fluide 52 à la sortie du compresseur 213 est d'environ 171 K (-102 °C). Le fluide 52 est refroidi à 80 K (- 193 °C) avec deux échangeurs de chaleur, 202 et 203, par échange contre un fluide de prérefroidissement, tel de l’azote par exemple. Le fluide 52 entre ensuite dans une section de refroidissement et est refroidi à 69 K (-204 °C) dans le premier échangeur 204 de chaleur de refroidissement. Le flux 52 d'hydrogène traverse un réacteur 220 de conversion catalytique où l'hydrogène atteint une composition d'équilibre pour la température opératoire considérée. Dans ce cas, l'hydrogène est par exemple composé de 58 % de parahydrogène et de 42 % d'orthohydrogène. L'hydrogène est ainsi légèrement chauffé entre 0,1 K et 0,5 K en régime permanent. Le frigorigène est alors séparé, 89% du débit total est détendu, par un détendeur 214, à 18,5 bars et atteint 60 K (-213 °C). Le flux 52 est ensuite refroidi à 51 K (-222 °C) dans un échangeur 206 de chaleur, puis détendu avec un détendeur 216 à deux étages à 4,5 bars pour atteindre 31 ,5 K (-241 ,5 °C). À partir de ce point, le flux 52 est utilisé en tant que frigorigène dans les échangeurs, 207, 206, 205 et 204, de chaleur de refroidissement. La partie restante (11 %) est refroidie à 26 K à travers quatre échangeurs de chaleur, 205, 206, 207 et 208. Cette partie est ensuite détendue avec une vanne 211 de détente à 1 ,5 bar pour atteindre 22 K. Le frigorigène liquide refroidit le flux d'alimentation à 22 K dans deux échangeurs, 209 et 208, de chaleur biphasique et quatre échangeurs, 207, 206, 205 et 204, de chaleur multi-flux. Les deux flux de frigorigène à 4,5 et 1 ,5 bar sortent de la section de refroidissement à 78 K (-195 °C). Le flux à basse pression est comprimé à 4,5 dans un premier compresseur 212. Le flux issu du premier compresseur 212 est ensuite mélangé au flux à moyenne pression avant d'entrer dans le deuxième compresseur 213.
Dans des modes de réalisations préférentiels, le circuit fermé, 210, 310, 410, 510, 610, 710 et/ou 810, de réfrigération est configuré pour que le flux 52 de dihydrogène frigorigène présente, en entrée du réacteur, 220, 320, 420, 520, 620, 720 et/ou 820, catalytique, une température essentiellement égale à la température moyenne du dihydrogène 52 frigorigène dans le circuit fermé, 210, 310, 410, 510, 610, 710 et/ou 810.
Dans des modes de réalisations particuliers, tels que ceux représentés en figures 2 à 8 et 10, le dispositif, 200, 300, 400, 500, 600, 700 et/ou 800, comporte un circuit 54 de prérefroidissement du gaz à liquéfier, ledit circuit de pré-refroidissement comportant au moins un échangeur, 203, 303, 403, 503, 603, 703 et/ou 802, de chaleur entre un flux de fluide de prérefroidissement et le flux 52 de dihydrogène frigorigène.
Dans des modes de réalisation, le circuit 54 de pré-refroidissement est configuré pour transporter de l’azote présentant une température comprise entre 298 K et 80 K. L’objectif d’un tel circuit 54 de pré-refroidissement est de refroidir le gaz 51 à liquéfier et le dihydrogène frigorigène de 90 K à 80 K.
Dans les modes de réalisation du dispositif, 200, 300, 400, 500 et/ou 600, représentés en figure 2 à 6, le circuit 54 de pré-refroidissement est un circuit fermé qui comporte :
- une branche dite « chaude », dans laquelle le circuit 54 de pré-refroidissement traverse successivement :
- le premier échangeur, 201 , 301 , 401 , 501 et/ou 601 , de chaleur, le deuxième échangeur, 202, 302, 402, 502 et/ou 602, de chaleur et
- une vanne 56 de détente,
- une branche dite « froide », formée de deux parties :
- une première partie, ayant pour origine la sortie de la vanne 56 de détente, dans laquelle le circuit 54 de pré-refroidissement traverse successivement :
- le troisième échangeur, 203, 303, 403, 503 et/ou 603, de chaleur,
- le deuxième échangeur, 202, 302, 402, 502 et/ou 602, de chaleur,
- le premier échangeur, 201 , 301 , 401 , 501 et/ou 601 , de chaleur,
- un compresseur s? et
- un échangeur 58 de chaleur dédié, le fluide de pré-refroidissement en sortie de l’échangeur 58 de chaleur dédié étant fourni au premier échangeur, 201 , 301 , 401 , 501 et/ou 601 , de chaleur et
- une deuxième partie, ayant pour origine une déviation située en sortie du premier échangeur, 201 , 301 , 401 , 501 et/ou 601 , de chaleur, dans laquelle le circuit 54 de pré-refroidissement traverse un détendeur 59, le fluide de pré-refroidissement en sortie du détendeur 59 étant fourni au deuxième échangeur, 202, 302, 402, 502 et/ou 602, de chaleur.
Dans un mode de réalisation particulier du dispositif 700, représenté en figure 7, le circuit 54 de pré-refroidissement est similaire au circuit 54 de refroidissement représenté en figures 2 à 6, le compresseurs? étant formé d’une succession de compresseurs. Dans ce mode de réalisation, le flux 54 de fluide frigorigène est mis en œuvre dans au moins un échangeur de chaleur 719 de l’étage de compression 713 à inter-refroidissement et dans au moins un étage 718 de compression à température inférieure à -40°C.
Dans un mode de réalisation particulier du dispositif 800, représenté en figure 8, le circuit 54 de pré-refroidissement est un circuit ouvert. Comme on le comprend, par exemple, le pré-refroidissement de 300 K (27 °C) à 80 K (- 193 °C) est effectué par une boucle d'azote fermée. L'azote est d'abord comprimé de 1 bar à 50 bar par un compresseur 57 à plusieurs étages. Cet azote est ensuite refroidi à 200 K (-73 °C) dans un échangeur 201 de chaleur. L'azote est ensuite séparé, 97 % du débit total est détendu à 1 ,1 bar dans un détendeur 59 et atteint 81 K (-192°C). Cet azote retourne sous forme de réfrigérant dans le premier échangeur 201 de chaleur de pré-refroidissement. La partie restante (3 %) est refroidie à 83 K (-190 °C). Cette partie est ensuite partiellement liquéfiée par une vanne 56 de détente atteignant 78 K (-195°C) et fonctionne dans le troisième échangeur 203 de chaleur en tant que réfrigérant principal. La puissance froide restante de l'azote est utilisée dans les échangeurs de chaleur, 202 et 201 , de pré-refroidissement.
On observe, en figure 10, une succession d’étapes particulières du procédé 1000 objet de la présente invention. Ce procédé 1000 de liquéfaction d’un gaz, comporte :
- une étape 1005 de transport de gaz à liquéfier comportant au moins une étape 1010 d’échange de chaleur entre le gaz à liquéfier et un flux frigorigène comportant au moins du dihydrogène frigorigène,
- une étape 1015 de transport, en circuit fermé de réfrigération du flux frigorigène, l’étape de transport comportant une étape 1020 de maintien d’une composition interne du dihydrogène frigorigène selon un rapport de parahydrogène sur orthohydrogène inférieur ou supérieur au dit rapport correspondant à une composition naturelle d’équilibre dans le circuit fermé de flux frigorigène, ledit moyen de maintien comportant une étape 1025 de réaction catalytique pour convertir une partie de l’orthohydrogène du dihydrogène frigorigène en parahydrogène ou inversement.
Des modes de réalisations des étapes de ce procédé 1000 sont décrits en regard des figures 2 à 8 et 10.
Comme on le comprend, une composition particulière du dihydrogène frigorigène objet de la présente invention comporte 58 % de parahydrogène et 42 % de orthohydrogène, cette composition n’étant pas la composition naturelle d’équilibre. Ceci constitue un compromis pour obtenir la meilleure adéquation des propriétés thermiques du gaz à la fois au cours de sa compression et en tant que réfrigérant.
En effet, l’augmentation de la teneur en parahydrogène a pour principal effet d’induire une augmentation de la capacité calorifique thermique de l’hydrogène. Ceci a pour conséquence d’augmenter l’énergie à fournir ou à dissiper pour modifier sa température. Dans la compression, cela a pour effet de réduire l’augmentation en température entre l’entrée et la sortie, la densité de l’hydrogène diminuant ainsi moins. Or plus un gaz est dense, plus il est facile de le comprimer. La puissance de compression de l’hydrogène est donc d’autant plus réduite que ce dernier est comprimé sous une forme la plus convertie en parahydrogène. Comme on le comprend, la présente invention présente des performances élevées de fonctionnement dans les conditions opératoires suivantes, en ce qui concerne le dispositif 200 représenté en figure 2 : Tableau 1
Figure imgf000019_0001
Dans le mode de réalisation du dispositif 300 représenté en figure 3, le réacteur 320 catalytique est positionné sur une branche retour de la boucle de refroidissement, ce qui déplace l’équilibre du cycle en fonction de la température qui lui est associée. Un positionnement intéressant du réacteur 320 se situe entre le cinquième échangeur 305 de chaleur et le sixième échangeur 306 de chaleur. Dans un tel mode de réalisation, la température de catalyse est de 54 K (-219 °C) (pour une composition de 74 % p-H2 et 26 % o-H2).
Dans un autre mode de réalisation du dispositif 400, tel que représenté en figure 4, la conversion catalytique est effectuée en plusieurs réacteurs, 420 et 421 , catalytiques disposés à des températures différentes et visant ainsi à une conversion par étapes de l’hydrogène réfrigérant. Ceci présente un intérêt en ce que la chaleur générée lors de la conversion est inversement croissante avec la température. Dans un tel mode de réalisation, une première conversion est effectuée à 80 K (-193 °C) portant l’hydrogène à une composition de 52 % p-H2, puis une deuxième conversion est effectuée à 69 K (-204 °C), portant l’hydrogène à la composition cible de 58 % p- H2.
Dans un autre mode de réalisation du dispositif 500, tel que représenté en figure 5, une conversion partielle à une autre température que la température cible associée à la composition d’équilibre cible est réalisée. Ceci est réalisable dans la mesure où le réacteur 520 est dimensionné de sorte que le temps de passage ou la réactivité du catalyseur ne permettent pas d’atteindre l’équilibre thermodynamique. Par exemple, le réacteur 520 est placé à une température de catalyse de 56 K (-217 °C), mais le raccourcissement de la longueur du réacteur 520 permet d’atteindre la composition cible de 58 % p-H2 au lieu de la composition d’équilibre de 70 %p-H2 associée à la température de 56 K (-217 °C).
Dans un autre mode de réalisation du dispositif 600, tel que représenté en figure 6, la composition cible peut être sélectionnée à l’aide d’un dispositif de bipasse partiel du réacteur 620. Ainsi la composition finale correspond à la moyenne des compositions de sortie du réacteur 620 et du bipasse 616 pondérée par les débits respectifs les traversant.
Dans un autre mode de réalisation du dispositif 700, tel que représenté en figure 7, la présente invention est appliquée dans le cadre d’une compression cryogénique dite avec refroidissement intermédiaire (dite « intercooler »), c’est-à-dire refroidissant le fluide réfrigérant entre chaque étage.
Dans un autre mode de réalisation du dispositif 800, tel que représenté en figure 8, le placement du réacteur 820 catalytique est configuré pour que la compression s’effectue à température ambiante. Si la température moyenne du dihydrogène frigorigène demeure inférieure à 184 K (-89 °C), ce qui est par exemple le cas si un stockage tampon d’hydrogène liquide est utilisé après la vanne 53. Ainsi, dans ce mode de réalisation, l’augmentation de la teneur en parahydrogène permet de réduire la conversion naturelle dans le stockage liquide tampon, permettant de réduire et déplacer une partie des pertes associées à un emplacement du procédé moins sensible aux dégagements de chaleur.
La présente invention est particulièrement adaptée dans le cas de production d’hydrogène liquide supérieure à cinq tonnes par jour car la réduction du besoin d’investissement et la stabilité du procédé en opération permettent un gain sur le coût final de la liquéfaction de l’hydrogène.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif (200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 1100) de liquéfaction d’un gaz (51 ), caractérisé en ce qu’il comporte :
- un circuit (55) de transport de gaz à liquéfier comportant au moins un échangeur (204, 304, 404, 504, 604, 704, 804) de chaleur entre le gaz (51) à liquéfier et un flux (52) frigorigène comportant au moins du dihydrogène frigorigène,
- un circuit (210, 310, 410, 510, 610, 710, 810) fermé de réfrigération configuré pour transporter le flux frigorigène, le circuit fermé de réfrigération comportant un moyen (215, 315, 415, 515, 615, 715, 815, 1115) de maintien d’une composition interne du dihydrogène frigorigène selon un rapport de parahydrogène sur orthohydrogène inférieur ou supérieur au dit rapport correspondant à une composition naturelle d’équilibre dans le circuit fermé de flux frigorigène, ledit moyen de maintien comportant un réacteur (220, 320, 420, 520, 620, 720, 820, 1120) catalytique configuré pour convertir une partie de l’orthohydrogène du flux de dihydrogène frigorigène en parahydrogène ou inversement.
2. Dispositif (200, 400, 500, 600, 700, 800, 1100) selon la revendication 1 , dans lequel le circuit fermé (210, 310, 410, 510, 610, 710, 810) de réfrigération est configuré pour que le dihydrogène frigorigène présente, en entrée du réacteur (220, 320, 420, 520, 620, 720, 820) catalytique, une température essentiellement égale à la température moyenne du dihydrogène frigorigène dans le circuit fermé.
3. Dispositif (200, 400, 500, 600, 1100) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le réacteur (220, 420, 520, 620) catalytique est positionné sur une branche chaude du circuit fermé (210, 410, 510, 610) de réfrigération.
4. Dispositif (200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 1100) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le réacteur (220, 320, 420, 520, 620, 720, 820) catalytique est configuré pour opérer selon une température comprise entre 31 K et 184 K.
5. Dispositif (200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 1100) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le moyen (215, 315, 415, 515, 615, 715, 815) de maintien est configuré pour maintenir la part de parahydrogène dans la composition interne du dihydrogène frigorigène entre 27 % et 96 %.
6. Dispositif (600) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le moyen (615) de maintien comporte un bipasse (616) du réacteur catalytique configuré pour opérer un rapport de débit prédéterminé entre le flux traversant le réacteur (620) et le flux traversant le bipasse.
7. Dispositif (200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 1100) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel le circuit (210, 310, 410, 510, 610, 710, 810) fermé frigorigène est configuré pour maintenir une température moyenne du dihydrogène frigorigène comprise entre 31 K et 184 K.
8. Dispositif (200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 1100) selon l’une des revendications 1 à 7, qui comporte un circuit (54) de pré-refroidissement du gaz à liquéfier, ledit circuit de prérefroidissement comportant un échangeur (203, 303, 403, 503, 603, 703, 802) de chaleur entre un flux de fluide de pré-refroidissement et le flux (52) de dihydrogène frigorigène.
9. Dispositif (200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 1100) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le gaz à liquéfier est un flux comportant essentiellement du dihydrogène.
10. Dispositif (1100) selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel au moins un réacteur (1120) catalytique est intégré à un échangeur (204) de chaleur.
11. Dispositif (700) selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel le circuit (710) fermé de réfrigération comporte un étage de compression (713) à inter-refroidissement et au moins un étage (718) de compression à température inférieure à -40 °C du dihydrogène frigorigène.
12. Dispositif (800) selon l’une des revendications 1 à 11 , dans lequel le réacteur (820) catalytique est positionné sur une branche froide du circuit fermé (810) de réfrigération.
13. Dispositif (800) selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel le circuit (810) fermé de réfrigération comporte au moins un compresseur (817) du dihydrogène frigorigène à température ambiante et un ballon (819) de stockage du dihydrogène frigorigène liquide.
14. Dispositif (200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 1100) selon l’une des revendications 1 à 13, dans lequel le réacteur (220, 320, 420, 520, 620, 720, 820) catalytique met en œuvre un catalyseur comportant un membre de la famille des oxydes de fer et préférentiellement Fe20s.
15. Procédé (1000) de liquéfaction d’un gaz, caractérisé en ce qu’il comporte :
- une étape (1005) de transport de gaz à liquéfier comportant au moins une étape (1010) d’échange de chaleur entre le gaz à liquéfier et un flux frigorigène comportant au moins du dihydrogène frigorigène,
- une étape (1015) de transport, en circuit fermé de réfrigération du flux frigorigène, l’étape de transport comportant une étape (1020) de maintien d’une composition interne du dihydrogène frigorigène selon un rapport de parahydrogène sur orthohydrogène inférieur ou supérieur au dit rapport correspondant à une composition naturelle d’équilibre dans le circuit fermé de flux frigorigène, ledit moyen de maintien comportant une étape (1025) de réaction catalytique pour convertir une partie de l’orthohydrogène du dihydrogène frigorigène en parahydrogène ou inversement.
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