WO2025008315A1 - Installation et procédé de production d'un fluide cryogénique - Google Patents

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Yasmin KHALIL-PAILLIER
Dominique LE LARGE
Christophe Szamlewski
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/02—Bath type boiler-condenser using thermo-siphon effect, e.g. with natural or forced circulation or pool boiling, i.e. core-in-kettle heat exchanger

Definitions

  • the invention relates to an installation and a method for producing a cryogenic fluid.
  • the invention relates more particularly to an installation for producing a cooled, or even cryogenic, fluid, in particular liquefied hydrogen.
  • Such installations usually comprise a gas circuit to be cooled having an upstream end intended to be connected to a gas source and a downstream end intended to be connected to at least one receiving system, for example cryogenic storage, the installation comprising, arranged in at least one cold box, a set of heat exchangers in heat exchange with the hydrogen circuit to be cooled, the installation comprising a pre-cooling device in heat exchange with at least a first part of the set of heat exchangers and configured to pre-cool the gas circuit to be cooled to a first determined temperature, the installation further comprising a cryogenic cooling device in heat exchange with at least a second part of the set of heat exchanger(s) and configured to cool the gas circuit to be cooled to a second determined temperature lower than the first temperature, the pre-cooling device comprising a closed circuit refrigerator for pre-cooling fluid, the closed circuit comprising a device for compressing the pre-cooling
  • thermosiphon of the pre-cooling fluid said circuit comprising one or more heat exchange portions with at least one of the first part of the heat exchanger(s) assembly
  • the cryogenic cooling device comprising a refrigerator with a refrigeration cycle of a cycle gas in a working circuit, the cycle gas comprising at least one of: hydrogen, helium, neon
  • the working circuit of the refrigerator comprising a compression member for the cycle gas, a cooling member for the compressed cycle gas, a member for expanding the compressed and cooled cycle gas and a member for reheating the expanded cycle gas.
  • Pre-cooling can be carried out with a pre-cooling device using for example a nitrogen cycle (or other pre-cooling fluid) in a cold box.
  • the optimization of the nitrogen cycle is a compromise between the compactness of the cold box and the performance (power consumed).
  • Pre-cooling is generally carried out via a pre-cooling device using a closed pre-cooling fluid loop producing cold via an appropriate thermodynamic cycle.
  • the cold is produced for example by expansion turbines of the pre-cooling fluid flow.
  • the hydrogen to be cooled is sub-cooled in the last pre-cooling exchanger whose temperature at the cold end is efficiently regulated by means of a thermosiphon of the pre-cooling fluid.
  • the fluid from the liquefaction cycle which ensures the liquefaction is also pre-cooled in the main pre-cooling exchanger.
  • “Large scale hydrogen liquefaction in combination with LNG re-gasification” by Kuendig et al, WHEC 2006, pp3326-3333 describes a liquefaction apparatus with two cold boxes, a first cold box containing a nitrogen cycle and exchangers to cool hydrogen using the nitrogen cycle and a second cold box containing a hydrogen cycle and exchangers to cool hydrogen using the hydrogen cycle.
  • An aim of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of the prior art noted above.
  • the invention aims to arrange in a cold box the standardized elements of the installation, leaving in another cold box the elements requiring adaptation to suit the needs of each customer.
  • thermosiphon associated with it are arranged in a separate cold box.
  • the installation according to the invention is an installation for producing a cooled, or even cryogenic, fluid, in particular liquefied hydrogen, comprising a gas circuit to be cooled having an upstream end intended to be connected to a gas source and a downstream end intended to be connected to at least one receiving system, for example cryogenic storage, the installation comprising a first set of heat exchangers in heat exchange with the gas circuit to be cooled, the installation comprising a pre-cooling device in heat exchange with at least a first part of the first set of heat exchangers and configured to pre-cool the gas circuit to be cooled to a first determined temperature, the installation optionally further comprising a cryogenic cooling device in heat exchange with at least a second part of the first set of heat exchanger(s) and configured to cool the gas circuit to be cooled to a second determined temperature lower than the first temperature, the pre-cooling device comprising a closed-circuit refrigerator for pre-cooling fluid, the circuit comprising a a pre-cooling fluid compression device, a pre-
  • these first cycle heat exchangers also being cooled by heat exchange with the pre-cooling fluid circuit of the pre-cooling device, a first cold box containing at least one heat exchanger of the first part of the heat exchanger assembly, including a heat exchanger in heat exchange with a flow of pre-cooling fluid of the circuit leaving the first thermosiphon, the first thermosiphon and the device for expanding the pre-cooling fluid, a second cold box containing the second thermosiphon, the cooling member for the compressed cycle gas including the at least one first heat exchanger in heat exchange with a flow of pre-cooling fluid of the circuit leaving the second thermosiphon, the expansion member for the compressed and cooled cycle gas and the member for reheating the expanded cycle gas.
  • a method for producing a cooled, or even cryogenic, fluid, in particular liquefied hydrogen using an installation as described above, the method comprising a step of pre-cooling the gas circuit flow to be cooled to a first temperature of between 65 and 100K and preferably between 77 and 90K, by means of the pre-cooling device, a step of pre-cooling the cycle fluid via the pre-cooling device to a temperature of between 77 and 90K, and optionally a step of cooling the gas circuit gas to be cooled to a second determined temperature of between 18 and 25K and preferably between 20 and 23K via the (cryogenic) cooling device.
  • a closed circuit may include means for adding refrigerant and/or means for withdrawing refrigerant to supply and/or relieve the circuit.
  • the invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the features above or below within the scope of the claims.
  • FIG. 1 is a schematic and partial view illustrating an example of the structure and operation of an example installation
  • FIG. 1 is a schematic and partial view illustrating an example of the structure and operation of an example installation
  • FIG. 1 is a schematic and partial view illustrating an example of the structure and operation of an example installation which is a variant of the .
  • Installation 1 for the production of a cryogenic fluid illustrated schematically in comprises a circuit 2 of gas to be cooled/liquefied, in particular hydrogen.
  • This circuit 2 of gas to be cooled has an upstream end 21 intended to be connected to a gas source and a downstream end 22 intended to be connected to at least one receiving system, for example a cryogenic storage of liquefied gas.
  • the installation 1 comprises, arranged in at least one cold box 3, 4, a set of heat exchangers 5, 6, 7 in thermal exchange with the hydrogen circuit 2 to be cooled.
  • the installation 1 comprises a pre-cooling device 8 in heat exchange with at least a first part 5, 6 of the set of heat exchangers (or exchangers 5, 6 for pre-cooling the circuit 2 of gas to be cooled).
  • the pre-cooling device 8 is configured to cool the circuit 2 of gas to be cooled to a first determined temperature, for example between 65 and 100K and preferably between 77 and 90K.
  • the installation 1 further comprises a cryogenic cooling device 9 in heat exchange with at least a second part 7 of the heat exchanger assembly (further downstream).
  • the cooling device 9 is configured to cool the gas circuit 2 to be cooled from the first temperature to a second determined temperature lower than the first temperature, for example between 18 and 25K and preferably between 20 and 23K.
  • this second part 7 of the heat exchanger(s) assembly comprises at least one second cycle heat exchanger 7 ensuring a heat exchange between the hydrogen circuit 2 to be cooled and the working circuit 19 of a cryogenic cooling device 9 described below.
  • the pre-cooling device 8 comprises a closed circuit refrigerator 18 of pre-cooling fluid, for example nitrogen, a mixture of refrigerant fluids (MRC) composed of the components proposed for example in the doctoral thesis of Songwut Krasae-in “Efficient Hydrogen Liquefaction Processes” ISBN978-82-471-1869-6.r, page 43 and 44) or in EP-A-3368630.
  • the circuit 18 comprises, arranged in series and/or in parallel, a device 28 for compressing the pre-cooling fluid (one or more compressors in series and/or in parallel), a device 38 for expanding the pre-cooling fluid (one or more turbines or valves in series and/or in parallel), at least one thermosiphon 48 of the pre-cooling fluid.
  • MRC mixture of refrigerant fluids
  • the circuit 18 comprises one or more heat exchange portions with at least one heat exchanger of the first part 5, 6 of the set of heat exchanger(s).
  • the pre-cooling fluid undergoes a compression-cooling-expansion-reheating cycle in the circuit 18 which produces cold power at at least one end of the circuit which is put into heat exchange with the circuit 2 of gas to be cooled.
  • the circuit 2 of gas to be cooled is pre-cooled in at least one last exchanger 6 (last from upstream to downstream) whose temperature at the cold end can be effectively regulated thanks to a flow of pre-cooling fluid generated by a thermosiphon 48.
  • thermosiphon 48 is a fluid circulation system (gas and/or liquid) based on expansion-contraction and Archimedes' thrust, the circulation being ensured by temperature differences between the different incoming/outgoing fluid flows.
  • the thermosiphon 48 comprises for example at least one inlet and one outlet connected to a loop of the pre-cooling fluid circuit 18 in heat exchange with at least one heat exchanger 6 for pre-cooling the gas circuit 2 to be cooled.
  • the thermosiphon 48 comprises for example a lower fluid inlet, an internal fluid heating chamber, a vertical conduit (chimney) positioned at the top of this chamber and a fluid outlet vertical relative to the axis of the inlet.
  • the cryogenic cooling device 9 comprises a refrigerator with a refrigeration cycle of a cycle gas in a working circuit 19.
  • the cycle gas preferably comprises at least one of: hydrogen, helium, neon.
  • the working circuit 19 of the refrigerator 9 is preferably closed and comprises a member 29 for compressing the cycle gas (one or more compressors in series and/or in parallel), a member 15, 16, 7 for cooling the compressed cycle gas (one or more heat exchangers), a member 39 for expanding the compressed and cooled cycle gas (one or more turbines or valves in series and/or in parallel) and a member 7, 15 for reheating the expanded cycle gas (one or more compressors in series and/or in parallel).
  • the working fluid undergoes a compression-cooling-expansion-reheating cycle which produces cold power at at least one end of the circuit 19 which is put into heat exchange with the circuit 2 of gas to be cooled in order to liquefy it.
  • the cycle gas cooling member 15, 16, 7 and the cycle gas reheating member 7, 15 may comprise one or more heat exchangers, preferably counter-current and ensuring a heat exchange between relatively cold and hot flows (to respectively ensure their reheating and cooling).
  • the refrigerator 9 comprises one or more first cycle heat exchangers 15, 16 which are distinct from the first part of heat exchangers 5, 6 configured to pre-cool the circuit 2 of gas to be cooled.
  • first cycle heat exchangers 15, 16 are cooled by heat exchange with the circuit 18 of the pre-cooling fluid of the pre-cooling device 8.
  • the pre-cooling of the circuit 2 of gas to be cooled for example hydrogen
  • the pre-cooling of the cycle gas for example helium-based
  • the pre-cooling fluid circuit for example nitrogen-based
  • the working fluid of the refrigerator cycle 9 is pre-cooled in at least one first dedicated cycle heat exchanger 15, 16 which does not exchange with the circuit 2 of fluid to be cooled.
  • this cycle gas can be pre-cooled in a heat exchanger 16 whose cold end temperature can be effectively regulated by a flow of pre-cooling fluid generated by a thermosiphon 48A separate from the thermosiphon 48 described above which ensures the pre-cooling of the gas circuit 2.
  • thermosiphon 48A associated with a first cycle heat exchanger 15, 16 and the thermosiphon 48 associated with at least one pre-cooling exchanger of the circuit 2 of gas to be cooled are distinct and arranged in parallel in the circuit 18 of pre-cooling fluid.
  • thermosiphon is a fluid circulation system (gas and/or liquid) based on expansion-contraction and Archimedes' thrust, circulation being ensured by temperature differences between the different incoming/outgoing fluid flows.
  • the thermosiphon 48A comprises for example at least one inlet and one outlet connected to a loop of the pre-cooling fluid circuit 18 in heat exchange with at least one heat exchanger 6 for pre-cooling the gas circuit 2 to be cooled.
  • the thermosiphon 48 comprises for example a lower fluid inlet, an internal fluid heating chamber, a vertical conduit (chimney) positioned at the top of this chamber and a fluid outlet vertical relative to the axis of the inlet.
  • the 48A thermosiphon is fed through a valve which allows the operating pressure of the 48A thermosiphon to be lower than that of the 48 thermosiphon. This allows the pressure loss in the circuit going to the 48 thermosiphon and in the circuit going to the 48A thermosiphon to be equalized.
  • the pre-cooling of the cycle gas of the refrigerator 9 by the pre-cooling fluid in a dedicated heat exchanger makes it possible to maximize the pre-cooling of the hydrogen circuit 2 to be cooled and the pre-cooling of the cycle gas of the refrigerator 9.
  • the cycle gas of the refrigerator 9 can, by returning to the compression 29, give up frigories to the pre-cooling fluid in a heat exchanger 15 (before returning to the compression 28.
  • thermosyphons 48, 48A may comprise at least one inlet and at least two outlets, the two outlets being connected to two separate portions of the pre-cooling fluid circuit 18 in heat exchange with the heat exchanger(s) 5, 6, 15, 16 concerned.
  • thermosiphon 48A of the pre-cooling fluid has at least one inlet and one outlet connected to a loop of the pre-cooling fluid circuit 18 in heat exchange with at least one first cycle heat exchanger 15, 16.
  • the first heat exchanger(s) 15, 16 of the cycle comprise at least one heat exchanger in thermal exchange with a flow of pre-cooling fluid of the circuit 18 leaving a thermosiphon 48A.
  • thermosiphon 48A connected to at least one exchanger 16 makes it possible to effectively regulate the temperature of the cycle fluid of the refrigerator 9.
  • the pre-cooling liquid is produced by the pre-cooling device 8.
  • the liquid pre-cooling fluid can be expanded in a turbine 38 or a valve before being sent to the thermosiphons 48, 48A.
  • the pressures within the thermosiphons 48, 48A can be different.
  • the low-pressure pre-cooling fluids produced by the thermosiphons 48, 48A and by the expansion device 38 can be put into heat exchange with all or part of the heat exchangers (pre-cooling heat exchangers 5, 6 of the circuit 2 on the one hand and the heat exchangers 15, 16 of the refrigerator circuit 9 on the other hand).
  • This or these relatively cold cooling fluid flows release(s) frigories respectively to the exchangers concerned to cool the gas 2 to be cooled and the cycle gas.
  • the refrigerant thus heated is returned to the inlet of the same compressor(s) 28 of the pre-cooling device 8 and a new cycle can begin.
  • thermosyphon 48A for the pre-cooling of the cycle gas of the refrigerator 9 makes it possible to pre-cool the cycle gas of the refrigerator 9 to a lower temperature. This makes it possible to reduce the energy consumption for the liquefaction of the gas to be cooled from the circuit 2 in the cold box 4.
  • the temperature can be lower because the temperature of the liquid pre-cooling fluid is controlled by the pressure within the thermosyphons 48, 48A.
  • the heat exchange can be greater in the dedicated exchangers 6, 16.
  • thermosiphon 48 and/or 48A operates at a pressure between 1.5 and 3.5 bara and at a corresponding temperature between 80.8K and 89.6K.
  • thermosiphon 48A operates at a lower pressure than the thermosiphon 48.
  • a valve upstream of at least one thermosiphon 48, 48A allows the pressures to be adjusted independently.
  • the heat exchanger(s) 5, 6 configured for pre-cooling the circuit 2 of gas to be cooled, and only a part 38, 48 of the pre-cooling device (8) (cold elements: turbine(s), thermosiphon, cold pipes, cold valve(s), etc.) are arranged in the same first cold pre-cooling box 3.
  • This first cold box 3 is preferably thermally insulated under vacuum and/or thermally insulated via perlite (or other insulation) and swept with a gas such as nitrogen for example.
  • the first cycle heat exchanger(s) 15, 16, the second thermosiphon 48A and only a part 38 of the pre-cooling device 8 are arranged in a second cold pre-cooling box 3A.
  • This second cold box 3A is preferably thermally insulated under vacuum or thermally insulated via perlite (or other insulation) and swept with a gas such as nitrogen for example.
  • the second cycle heat exchanger(s) 7 which are provided for liquefying the gas of the gas circuit 2 to be cooled are preferably located in a third cold box 4 separate from the first cold box 3 and the second cold box 3A (thermally insulated under vacuum or otherwise).
  • This third cold box 4 also preferably contains the associated cryogenic components (turbine, valve(s)).
  • the last second cycle heat exchanger 7 is in heat exchange with a first portion of the working circuit 19 of the device 9 conveying cycle gas before passage through an expansion member 39 (turbine(s) 39) and with a second portion of the working circuit 19 of the device 9 conveying cycle gas after passage through said expansion member 39. That is to say that the cycle exchanger 7 can comprise multiple passages of the working circuit 19 of the refrigerator 9.
  • the installation preferably comprises means for purifying the cooled hydrogen, these means being located in the second cold box 3A. These means serve to remove the water and/or carbon dioxide and/or nitrogen contained in the cooled hydrogen.
  • the hydrogen cools in the first cold box 3 and then goes to the second cold box 3A to be purified by the purification means P.
  • the purified hydrogen is then cooled again in a heat exchanger of the first box.
  • the first cold box 3 may contain at least one catalyst in the first cold box, the hydrogen purified in the second cold box 3A being sent to the catalyst of the first cold box.
  • the first cold box 3 preferably does not contain means for purifying hydrogen.
  • the first cold box 3 can have standardized dimensions while the second cold box 3A contains all the equipment whose dimensions change according to the composition of the feed flow to be liquefied.
  • the installation may only include cold boxes 3, 3A, with cold box 4 being added at a later stage in the manufacture of the installation.
  • the hydrogen flow 21 containing impurities likely to liquefy or even solidify in the cold box 4 must be purified downstream of the cold box 4.
  • hydrogen 21 is cooled in exchanger 5 in cold box 3 and then sent to cold box 3A to be purified in adsorption purification unit P, the purified flow then returning to cold box 3 for a catalysis step in catalyst C1, followed by cooling in exchanger 6, again a catalysis step in catalyst C2 and cooling in exchanger 6 before leaving cold box 3 as flow 22 to join cold box 4 for final cooling.
  • Catalysis is used for the ortho-para conversion of hydrogen, in a conventional manner. .
  • Purification unit P can only accept a fairly pure gas feed, because a high impurity level leads to larger catalysts, increasing the dimensions of the module. Placing the P purification in the cold box 3A will be a preferred solution when the gas load 21 requires a lot of purification and therefore adsorbent beds of a significant size.
  • the cold box 3A also contains the thermosiphon 48A whose liquid 50 is heated in the exchanger 16 and returned to the thermosiphon 48A.
  • a gas 32 coming from the thermosiphon is heated in the exchanger 15 with the gas 19 by heat exchange with the gas 30 which cools before being sent to the exchanger 16.
  • the purification unit P is located in the cold box 3, the cold box 3A mainly containing the thermosiphon 48A and the exchangers 15, 16.
  • the invention allows the flexibility of having a less pure charge 21 and coming from any source, for example an ATR or SMR type reformer, an electrolyser, a pipeline, a hydrogen deposit, etc.

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Abstract

Une installation de production d'un fluide cryogénique comprend, disposés dans au moins une boîte froide (3, 4), un ensemble d'échangeurs (5, 6, 7) de chaleur en échange thermique avec le circuit (2) d'hydrogène à refroidir, l'installation (1) comprenant un dispositif (8) de pré-refroidissement configuré pour pré-refroidir le circuit (2) de gaz à refroidir à une première température déterminée, le dispositif comprenant deux thermosiphons (42, 42A) connectés en parallèle disposés en deux boîtes froides différentes (3, 3A).

Description

Installation et procédé de production d’un fluide cryogénique
L’invention concerne une installation et un procédé de production d’un fluide cryogénique.
L’invention concerne plus particulièrement une installation de production d’un fluide refroidi, voire cryogénique, en particulier de l’hydrogène liquéfié. De telles installations comprennent habituellement un circuit de gaz à refroidir ayant une extrémité amont destinée à être reliée à une source de gaz et une extrémité aval destinée à être reliée à au moins un système receveur, par exemple un stockage cryogénique, l’installation comprenant, disposés dans au moins une boîte froide, un ensemble d’échangeurs de chaleur en échange thermique avec le circuit d’hydrogène à refroidir, l’installation comprenant un dispositif de pré-refroidissement en échange thermique avec au moins une première partie de l’ensemble d’échangeurs de chaleur et configuré pour pré-refroidir le circuit de gaz à refroidir à une première température déterminée, l’installation comprenant en outre un dispositif de refroidissement cryogénique en échange thermique avec au moins une seconde partie de l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur et configuré pour refroidir le circuit de gaz à refroidir à une seconde température déterminée inférieure à la première température, le dispositif de pré-refroidissement comprenant un réfrigérateur à circuit fermé de fluide de pré-refroidissement, le circuit fermé comprenant un dispositif de compression du fluide de pré-refroidissement, un dispositif de détente du fluide de pré-refroidissement, au moins un thermosiphon du fluide de pré-refroidissement, ledit circuit comprenant une ou des portions d’échange thermique avec au moins un de la première partie de l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur, le dispositif de refroidissement cryogénique comprenant un réfrigérateur à cycle de réfrigération d’un gaz de cycle dans un circuit de travail, le gaz de cycle comprenant au moins l’un parmi: de l’hydrogène, de l’hélium, du néon, le circuit de travail du réfrigérateur comprenant un organe de compression du gaz de cycle, un organe de refroidissement du gaz de cycle comprimé, un organe de détente du gaz de cycle comprimé et refroidi et un organe de réchauffage du gaz de cycle détendu.
Les procédés de liquéfaction d’hydrogène sont divisés en deux parties successives: 1) le pré-refroidissement et 2) le refroidissement assurant la liquéfaction. Le pré-refroidissement peut être réalisé avec un dispositif de pré-refroidissement utilisant par exemple un cycle azote (ou autre fluide de pré-refroidissement) dans une boîte froide. L’optimisation du cycle azote est un compromis entre la compacité de la boîte froide et la performance (puissance consommée).
Le pré-refroidissement est réalisé généralement via un dispositif de pré-refroidissement utilisant une boucle de fluide de pré-refroidissement fermée produisant du froid via un cycle thermodynamique approprié. Le froid est produit par exemple par des turbines de détente du flux du fluide de pré-refroidissement. L’hydrogène à refroidir est sous-refroidi dans le dernier échangeur de pré-refroidissement dont la température au bout froid est efficacement régulée grâce à un thermosiphon du fluide de pré-refroidissement. Le fluide du cycle de liquéfaction qui assure la liquéfaction est également pré refroidi dans l’échangeur principal du pré-refroidissement.
Cette solution connue nécessite de prévoir une seule boîte froide de pré-refroidissement volumineuse. De plus, l’efficacité énergétique n’est pas optimale.
« Large scale hydrogen liquefaction in combination with LNG re-gasification” de Kuendig et al, WHEC 2006, pp3326-3333 décrit un appareil de liquéfaction avec deux boîtes froides, dont une première boîte froide contenant un cycle d’azote et des échangeurs pour refroidir l’hydrogène utilisant le cycle d’azote et une deuxième boîte froide contenant un cycle hydrogène et des échangeurs pour refroidir l’hydrogène utilisant le cycle d’hydrogène.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus. En particulier l’invention vise à disposer dans une boîte froide les éléments standardisés de l’installation, laissant dans une autre boîte froide les éléments nécessitant d’être adaptés pour convenir aux besoins de chaque client.
Ainsi un circuit de réfrigération ainsi que l’échangeur et le thermosiphon qui y sont associés sont disposés dans une boîte froide à part.
A cette fin, l’installation selon l'invention est une installation de production d’un fluide refroidi, voire cryogénique, en particulier de l’hydrogène liquéfié, comprenant un circuit de gaz à refroidir ayant une extrémité amont destinée à être reliée à une source de gaz et une extrémité aval destinée à être reliée à au moins un système receveur, par exemple un stockage cryogénique, l’installation comprenant un premier ensemble d’échangeurs de chaleur en échange thermique avec le circuit de gaz à refroidir, l’installation comprenant un dispositif de pré-refroidissement en échange thermique avec au moins une première partie du premier ensemble d’échangeurs de chaleur et configuré pour pré-refroidir le circuit de gaz à refroidir jusqu’à une première température déterminée, l’installation comprenant éventuellement en outre un dispositif de refroidissement cryogénique en échange thermique avec au moins une seconde partie du premier ensemble d’échangeur(s) de chaleur et configuré pour refroidir le circuit de gaz à refroidir jusqu’à une seconde température déterminée inférieure à la première température, le dispositif de pré-refroidissement comprenant un réfrigérateur à circuit fermé de fluide de pré-refroidissement, le circuit comportant un dispositif de compression du fluide de pré-refroidissement, un dispositif de détente du fluide de pré-refroidissement, au moins un premier et un deuxième thermosiphons distincts du fluide de pré-refroidissement disposés en parallèle dans le circuit de fluide de pré-refroidissement, ledit circuit comprenant une ou des portions d’échange thermique avec au moins un de la première partie de l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur, un réfrigérateur à cycle de réfrigération d’un gaz de cycle dans un circuit de travail, le gaz de cycle comprenant au moins l’un parmi: de l’hydrogène, de l’hélium, du néon, le circuit de travail du réfrigérateur comprenant un organe de compression du gaz de cycle, un organe de refroidissement du gaz de cycle comprimé, un organe de détente du gaz de cycle comprimé et refroidi et un organe de réchauffage du gaz de cycle détendu, dans lequel l’organe de refroidissement du gaz de cycle et/ou l’organe de réchauffage du gaz de cycle comprend un ou des premiers échangeurs de chaleur de cycle, distinct(s) du premier ensemble d’échangeurs de chaleur de pré-refroidissement du circuit de gaz à refroidir, ces premiers échangeurs de chaleur de cycle étant également refroidi(s) par échange thermique avec le circuit du fluide de pré-refroidissement du dispositif de pré-refroidissement, une première boîte froide contenant au moins un échangeur de chaleur de la première partie de l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur, dont un échangeur de chaleur en échange thermique avec un flux de fluide de pré-refroidissement du circuit sortant du premier thermosiphon, le premier thermosiphon et le dispositif de détente du fluide de prérefroidissement, une deuxième boîte froide contenant le deuxième thermosiphon, l’organe de refroidissement du gaz de cycle comprimé dont l’au moins un premier échangeur de chaleur en échange thermique avec un flux de fluide de pré-refroidissement du circuit sortant du deuxième thermosiphon, l’organe de détente du gaz de cycle comprimé et refroidi et l’organe de réchauffage du gaz de cycle détendu.
Selon d’autres objets facultatifs de l’invention :
  • la première et/ou la deuxième boîte froide est isolée thermiquement au moyen d’un isolant pulvérulent, par exemple la perlite.
  • l’installation comprend un dispositif de refroidissement cryogénique en échange thermique avec au moins une seconde partie du premier ensemble d’échangeur(s) de chaleur et configuré pour refroidir le circuit de gaz à refroidir jusqu’à une seconde température déterminée inférieure à la première température, le dispositif de refroidissement cryogénique se trouvant dans une troisième boîte froide isolée thermiquement sous vide.
  • l’installation comprend des moyens pour épurer le gaz à refroidir refroidi, ces moyens se trouvant en dans la deuxième boîte froide, des moyens pour envoyer du gaz à refroidir refroidi dans un échangeur de chaleur dans la première boîte froide aux moyens pour épurer l’hydrogène, des moyens pour envoyer le gaz à refroidir épuré dans les moyens pour épurer à un échangeur de chaleur de la première boîte pour s’y refroidir.
  • l’installation comprend au moins un catalyseur dans la première boîte froide
  • les moyens pour épurer le gaz à refroidir sont reliés à l’au moins un catalyseur pour y envoyer le gaz à refroidir épuré.
  • la première boîte froide ne contient pas de moyens pour épurer le gaz à refroidir.
  • la première boîte froide contient des moyens pour épurer le gaz à refroidir, par exemple l’hydrogène.
  • la deuxième boîte froide ne contient pas de moyens pour épurer le gaz à refroidir, par exemple l’hydrogène.
  • les moyens pour épurer le gaz à refroidir comprenant des lits d’adsorbants
  • la seconde partie de l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur comprend au moins un second échangeur de chaleur de cycle assurant un échange thermique entre le circuit de gaz à refroidir et le circuit de travail du dispositif de refroidissement cryogénique.
  • le second échangeur de chaleur de cycle est en échange thermique avec une première portion du circuit de travail du dispositif véhiculant du gaz de cycle avant passage dans un organe de détente et avec une seconde portion du circuit de travail du dispositif véhiculant du gaz de cycle après passage dans ledit organe de détente.
  • le second échangeur de chaleur de cycle est situé dans une troisième boîte froide distincte des première et deuxième boîtes froides.
  • le fluide de pré-refroidissement comprend ou est constitué d’au moins un composant choisi dans le groupe : de l’azote, de l’argon, au moins un hydrocarbure choisi dans la liste méthane, éthane, éthylène, propane, propylène, butane, butène, pentane.
  • le circuit de réfrigération comprend au moins un organe de détente permettant aux premier et deuxième thermosiphons de fonctionner à des pressions différentes.
Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un procédé de production d’un fluide refroidi, voire cryogénique, en particulier de l’hydrogène liquéfié, utilisant une installation telle que décrite précédemment, le procédé comprenant une étape de pré-refroidissement du flux de circuit de gaz à refroidir à une première température comprise entre 65 et 100K et préférentiellement entre 77 et 90K, au moyen du dispositif de pré-refroidissement, une étape de pré-refroidissement du fluide de cycle via le dispositif de pré-refroidissement jusqu’à une température comprise entre 77 et 90K, et éventuellement une étape de refroidissement du gaz de circuit de gaz à refroidir à une seconde température déterminée comprise entre 18 et 25K et préférentiellement entre 20 et 23K via le dispositif (de refroidissement cryogénique.
Selon d’autres caractéristiques facultatives :
  • au moins un échangeur de chaleur de cycle et/ou au moins un échangeur(s) de chaleur configuré(s) pour pré-refroidir le circuit de gaz à refroidir à une première température déterminée est en échange thermique avec un flux de fluide de pré-refroidissement du circuit sortant d’un des thermosiphons, au moins un thermosiphon fonctionnant à une pression entre 1,5 et 3,5 bara et à une température correspondante comprise entre 80,8K et 89,6K.
  • le gaz à refroidir est épuré par adsorption à une température subambiante uniquement dans la première boîte froide ou uniquement dans la deuxième boîte froide
Il sera compris qu’un circuit fermé peut comprendre des moyens de rajout de réfrigérant et/ou des moyens de prélèvement de réfrigérant pour alimenter et/ou délester le circuit.
L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
Brève description des figures
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 aux dessins annexés dans lesquels :
est une vue schématique et partielle illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d’un exemple d’installation;
est une vue schématique et partielle illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d’un exemple d’installation
est une vue schématique et partielle illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d’un exemple d’installation qui est une variante de la .
 Description détaillée
Sur toutes les figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments.
Dans cette description détaillée, les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, cela ne signifie pas que les caractéristiques s’appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées et/ou interchangées pour fournir d’autres réalisations dans le cadre des revendications.
L’installation 1 de production d’un fluide cryogénique illustrée schématiquement à la comprend un circuit 2 de gaz à refroidir/liquéfier, en particulier de l’hydrogène. Ce circuit 2 de gaz à refroidir possède une extrémité amont 21 destinée à être reliée à une source de gaz et une extrémité aval 22 destinée à être reliée à au moins un système receveur, par exemple un stockage cryogénique de gaz liquéfié.
L’installation 1 comprend, disposés dans au moins une boîte froide 3, 4, un ensemble d’échangeurs 5, 6, 7 de chaleur en échange thermique avec le circuit 2 d’hydrogène à refroidir.
L’installation 1 comprend un dispositif 8 de pré-refroidissement en échange thermique avec au moins une première partie 5, 6 de l’ensemble d’échangeurs de chaleur (ou échangeurs 5, 6 de pré-refroidissement du circuit 2 de gaz à refroidir). Le dispositif 8 de pré-refroidissement est configuré pour refroidir le circuit 2 de gaz à refroidir à une première température déterminée, par exemple entre 65 et 100K et préférentiellement entre 77 et 90K.
L’installation 1 comprend en outre un dispositif 9 de refroidissement cryogénique en échange thermique avec au moins une seconde partie 7 de l’ensemble d’échangeurs de chaleur (plus en aval). Le dispositif 9 de refroidissement est configuré pour refroidir le circuit 2 de gaz à refroidir de la première température à une à une seconde température déterminée inférieure à la première température, par exemple entre 18 et 25K et préférentiellement entre 20 et 23K.
Comme illustré, cette seconde partie 7 de l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur comprend au moins un second échangeur de chaleur 7 de cycle assurant un échange thermique entre le circuit 2 d’hydrogène à refroidir et le circuit 19 de travail d’un dispositif 9 de refroidissement cryogénique décrit ci-après.
Le dispositif 8 de pré-refroidissement comprend un réfrigérateur à circuit 18 fermée de fluide de pré-refroidissement, par exemple de l’azote, un mélange de fluides réfrigérants (MRC) composé des composants proposés par exemple dans la thèse doctorale de Songwut Krasae-in “Efficient Hydrogen Liquefaction Processes” ISBN978-82-471-1869-6.r, page 43 et 44) ou dans EP-A-3368630. Le circuit 18 comporte, disposés en série et/ou en parallèle, un dispositif 28 de compression du fluide de pré-refroidissement (un ou plusieurs compresseurs en série et/ou en parallèle), un dispositif de détente 38 du fluide de pré-refroidissement (une ou plusieurs turbines ou vannes en série et/ou en parallèle), au moins un thermosiphon 48 du fluide de pré-refroidissement.
Le circuit 18 comprend une ou des portions d’échange thermique avec au moins un échangeur de chaleur de la première partie 5, 6 de l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur.
Ainsi, le fluide de pré-refroidissement subit un cycle de compression-refroidissement-détente-réchauffage dans le circuit 18 qui produit une puissance froide à au moins une extrémité du circuit qui est mise en échange thermique avec le circuit 2 de gaz à refroidir.
En particulier, le circuit 2 de gaz à refroidir est pré-refroidi dans au moins un dernier échangeur 6 (dernier de l’amont vers l’aval) dont la température au bout froid peut être efficacement régulée grâce à un flux de fluide de pré-refroidissement généré par un thermosiphon 48.
Le thermosiphon 48 est un système de circulation des fluides (gaz et/ou liquide) basé sur la dilatation-contraction et la poussée d'Archimède, la circulation étant assurée par des différences de température entre les différents flux de fluide entrant/sortant.
Le thermosiphon 48 comprend par exemple au moins une entrée et une sortie raccordées à une boucle du circuit 18 de fluide de pré-refroidissement en échange thermique avec au moins un échangeur de chaleur 6 de pré-refroidissement du circuit 2 de gaz à refroidir. Le thermosiphon 48 comprend par exemple une entrée inférieure de fluide, une chambre interne de chauffage du fluide, un conduit vertical (cheminée) positionné en haut de cette chambre et une sortie du fluide verticale par rapport à l'axe de l'entrée.
Le dispositif 9 de refroidissement cryogénique comprend quant à lui un réfrigérateur à cycle de réfrigération d’un gaz de cycle dans un circuit 19 de travail. Le gaz de cycle comprend de préférence au moins l’un parmi: de l’hydrogène, de l’hélium, du néon.
Le circuit 19 de travail du réfrigérateur 9 est de préférence fermé et comprend un organe 29 de compression du gaz de cycle (un ou plusieurs compresseurs en série et/ou en parallèle), un organe 15, 16, 7 de refroidissement du gaz de cycle comprimé (un ou plusieurs échangeurs de chaleurs), un organe 39 de détente du gaz de cycle comprimé et refroidi (une ou plusieurs turbines ou vannes en série et/ou en parallèle) et un organe 7, 15 de réchauffage du gaz de cycle détendu (un ou plusieurs compresseurs en série et/ou en parallèle).
Ainsi, le fluide de travail subit un cycle de compression-refroidissement-détente-réchauffage qui produit une puissance froide à au moins une extrémité du circuit 19 qui est mise en échange thermique avec le circuit 2 de gaz à refroidir en vue de le liquéfier.
Comme illustré, l’organe 15, 16, 7 de refroidissement du gaz de cycle et l’organe 7, 15 de réchauffage du gaz de cycle peuvent comprendre un ou des échangeurs de chaleur, de préférence à contre-courant et assurant un échange thermique entre des flux relativement froid et chauds (pour assurer respectivement leur réchauffage et refroidissement)
En particulier, pour le pré-refroidissement du gaz de cycle et/ou le réchauffage du gaz de cycle, le réfrigérateur 9 comprend un ou de premiers échangeurs de chaleur 15, 16 de cycle qui sont distincts de la première partie d’échangeurs de chaleur 5, 6 configuré(s) pour pré-refroidir le circuit 2 de gaz à refroidir.
De plus, ces premiers échangeurs 15, 16 de chaleur de cycle sont refroidis par échange thermique avec le circuit 18 du fluide de pré-refroidissement du dispositif 8 de pré-refroidissement.
C’est-à-dire que le pré-refroidissement du circuit 2 de gaz à refroidir (par exemple l’hydrogène) et le pré-refroidissement du gaz de cycle (par exemple à base d’hélium) sont réalisés par le circuit de fluide de pré-refroidissement (par exemple à base d’azote) dans des échangeurs distincts séparés.
Le fluide de travail du cycle du réfrigérateur 9 est pré refroidi dans au moins un premier échangeur de chaleur 15, 16 de cycle dédié qui n’échange pas avec le circuit 2 de fluide à refroidir.
De plus, ce gaz de cycle peut être pré-refroidi dans un échangeur 16 de chaleur dont la température au bout froid peut être efficacement régulée par un flux de fluide de pré-refroidissement généré par un thermosiphon 48A distinct du thermosiphon 48 décrit précédemment qui assure le pré-refroidissement du circuit 2 de gaz.
Ainsi, et comme représenté, le thermosiphon 48A associé à un premier échangeur de chaleur 15, 16 de cycle et le thermosiphon 48 associé à au moins un échangeur de pré-refroidissement du circuit 2 de gaz à refroidir sont être distincts et disposés en parallèle dans le circuit 18 de fluide de pré-refroidissement.
Le thermosiphon 48A est un système de circulation des fluides (gaz et/ou liquide) basé sur la dilatation-contraction et la poussée d'Archimède, la circulation étant assurée par des différences de température entre les différents flux de fluide entrant/sortant.
Le thermosiphon 48A comprend par exemple au moins une entrée et une sortie raccordées à une boucle du circuit 18 de fluide de pré-refroidissement en échange thermique avec au moins un échangeur de chaleur 6 de pré-refroidissement du circuit 2 de gaz à refroidir. Le thermosiphon 48 comprend par exemple une entrée inférieure de fluide, une chambre interne de chauffage du fluide, un conduit vertical (cheminée) positionné en haut de cette chambre et une sortie du fluide verticale par rapport à l'axe de l'entrée.
Le thermosiphon 48A est alimenté à travers une vanne ce qui permet que la pression de fonctionnement du thermosiphon 48A soit plus basse que celle du thermosiphon 48. Ceci permet d’égaliser la perte de charge dans le circuit allant vers le thermosiphon 48 et dans le circuit allant vers le thermosiphon 48A.
Ainsi, le pré-refroidissement du gaz de cycle du réfrigérateur 9 par le fluide de pré-refroidissement dans un échangeur de chaleur dédié (distinct du pré-refroidissement du circuit 2 à refroidir) permet de maximiser le pré-refroidissement du circuit 2 d’hydrogène à refroidir et le pré-refroidissement du gaz de cycle du réfrigérateur 9.
Comme illustré, après sa détente et son échange thermique avec la circuit 2 de gaz à refroidir, le gaz de cycle du réfrigérateur 9 peut, en retournant vers la compression 29, céder des frigories au fluide de pré-refroidissement dans un échangeur 15 de chaleur (avant retour à la compression 28.
Les thermosiphons 48, 48A peuvent comporter au moins une entrée et au moins deux sorties, les deux sorties étant raccordées à deux portions distinctes du circuit 18 de fluide de pré-refroidissement en échange thermique avec le ou échangeurs de chaleur 5, 6, 15, 16 concernés.
Le thermosiphon 48A du fluide de pré-refroidissement a au moins une entrée et une sortie raccordées à une boucle du circuit 18 de fluide de pré-refroidissement en échange thermique avec au moins un premier échangeur de chaleur 15, 16 de cycle.
C’est-à-dire que le ou les premiers échangeurs de chaleur 15, 16 de cycle comprennent au moins un échangeur de chaleur en échange thermique avec un flux de fluide de pré-refroidissement du circuit 18 sortant d’un thermosiphon 48A.
Le thermosiphon 48A relié à au moins un échangeur 16 permet de réguler efficacement la température du fluide de cycle du réfrigérateur 9.
Le liquide de pré-refroidissement est produit par le dispositif 8 de pré-refroidissement. Le fluide de pré-refroidissement liquide peut être détendu dans une turbine 38 ou une vanne avant d’être envoyé vers les thermosiphons 48, 48A. Les pressions au sein des thermosiphons 48, 48A peuvent être différentes. Les fluides de pré-refroidissement à basse pression produits par les thermosiphons 48, 48A et par le dispositif de détente 38 peuvent être mis en échange thermique avec tout ou partie des échangeurs de chaleur (échangeurs de chaleur 5, 6 de pré-refroidissement du circuit 2 d’une part et, les échangeurs de chaleurs 15, 16 du circuit du réfrigérateur 9 d’autre part). Ce ou ces flux de fluide de refroidissement relativement froid cède(nt) des frigories respectivement aux échangeurs concernés pour refroidir le gaz 2 à refroidir et le gaz de cycle. Le fluide de refroidissement ainsi réchauffé est renvoyé à l’entrée du/des même(s) compresseur(s) 28 du dispositif 8 de pré-refroidissement et un nouveau cycle peut recommencer.
Cette configuration avec des échangeurs dissociés dans des boîtes froides séparées pour respectivement le pré-refroidissement du circuit 2 de gaz à refroidir et pour le pré-refroidissement du circuit 19 du gaz de travail (avec des flux de pré-refroidissement dissociés respectifs) permet d’utiliser dans une boîte froide 3 des échangeurs de taille relativement plus petite que dans l’art antérieur. De plus, cette distribution séparée de puissance froide du dispositif 8 de pré-refroidissement au circuit 2 de gaz à refroidir et au fluide de cycle du réfrigérateur 9 augmente l’efficacité globale de l’installation.
L’utilisation d’un thermosiphon 48A pour le pré-refroidissement du gaz de cycle du réfrigérateur 9 permet de pré-refroidir à une température plus basse le gaz de cycle du réfrigérateur 9. Ceci permet de diminuer la consommation d’énergie pour la liquéfaction du gaz à refroidir du circuit 2 dans la boîte froide 4. La température peut être plus basse car la température du fluide de pré-refroidissement liquide est maîtrisée par la pression au sein des thermosiphons 48, 48A. De plus, l’échange thermique peut être plus important dans les échangeurs dédiés 6, 16.
Le thermosiphon 48 et/ou 48A fonctionne à une pression entre 1,5 et 3,5 bara et à une température correspondante comprise entre 80,8K et 89,6K. De préférence le thermosiphon 48A fonctionne à une pression plus basse que le thermosiphon 48. Une vanne en amont d’au moins un thermosiphon 48, 48A permet de régler les pressions indépendamment.
Comme illustré, le ou les échangeur(s) de chaleur 5, 6 configuré(s) de pré-refroidissement du circuit 2 de gaz à refroidir, et seulement une partie 38, 48 du dispositif (8) de pré-refroidissement (éléments froids : turbine(s), thermosiphon, conduites froides, vanne(s) froides…) sont disposés dans une même première boîte froide 3 de pré-refroidissement.
Cette première boîte froide 3 est de préférence isolée thermiquement sous vide et/ou isolé thermiquement via de la perlite (ou autre isolant) et balayée d’un gaz tel que l'azote par exemple.
Le ou les premiers échangeurs 15, 16 de chaleur de cycle, le deuxième thermosiphon 48A et seulement une partie 38 du dispositif 8 de pré-refroidissement (éléments froids : turbine(s), conduites froides, vanne(s) froides…) sont disposés dans une deuxième boîte froide 3A de pré-refroidissement.
Cette deuxième boîte froide 3A est de préférence isolée thermiquement sous vide ou isolée thermiquement via de la perlite (ou autre isolant) et balayée d’un gaz tel que l'azote par exemple.
Le (ou les) second(s) échangeur(s) 7 de chaleur de cycle qui sont prévus pour liquéfier le gaz du circuit 2 de gaz à refroidir sont situés de préférence dans une troisième boîte froide 4 distincte de la première boîte froide 3 et de la deuxième boîte froide 3A (isolée thermiquement sous vide ou autre). Cette troisième boîte froide 4 contient également de préférence les composants cryogéniques associés (turbine, vanne(s)…).
Comme illustré, le dernier second échangeur 7 de chaleur de cycle est en échange thermique avec une première portion du circuit 19 de travail du dispositif 9 véhiculant du gaz de cycle avant passage dans un organe 39 de détente (turbine(s) 39) et avec une seconde portion du circuit 19 de travail du dispositif 9 véhiculant du gaz de cycle après passage dans ledit organe 39 de détente. C’est-à-dire que l’échangeur 7 de cycle peut comporter des passages multiples du circuit 19 de travail du réfrigérateur 9.
L’installation comprend de préférence des moyens pour épurer l’hydrogène refroidi, ces moyens se trouvant en dans la deuxième boîte froide 3A. Ces moyens servent à enlever l’eau et/ou le dioxyde de carbone et/ou l’azote contenu dans l’hydrogène refroidi. L’hydrogène se refroidit dans la première boîte froide 3 et ensuite est ensuite à la deuxième boîte froide 3A pour être épuré par les moyens d’épuration P. L’hydrogène épuré est ensuite de nouveau refroidi dans un échangeur de chaleur de la première boîte.
La première boîte froide 3 peut contenir au moins un catalyseur dans la première boîte froide, l’hydrogène épuré dans la deuxième boîte froide 3A étant envoyé au catalyseur de la première boite froide.
La première boîte froide 3 de préférence ne contient pas de moyens pour épurer l’hydrogène.
De cette façon, la première boîte froide 3 peut avoir des dimensions standardisées alors que la deuxième boîte froide 3A contient tous les équipements dont les dimensions évoluent selon la composition du débit d’alimentation à liquéfier
Il sera noté que l’installation peut comprendre uniquement les boîtes froides 3, 3A, la boîte froide 4 étant rajoutée à une étape ultérieure de la fabrication de l’installation.
La montre de manière plus détaillée les boîtes froides 3, 3A. Le débit d’hydrogène 21 contenant des impuretés susceptibles de liquéfier voire solidifier dans la boîte froide 4 doit être épuré en aval de la boîte froide 4. Dans la variante de la , l’hydrogène 21 est refroidi dans l’échangeur 5 dans la boîte froide 3 puis est envoyé à la boîte froide 3A pour être épuré dans l’unité de purification par adsorption P, le débit épuré revenant ensuite à la boîte froide 3 pour une étape de catalyse dans le catalyseur C1, suivi de refroidissement dans l’échangeur 6, de nouveau une étape de catalyse dans le catalyseur C2 et refroidissement dans l’échangeur 6 avant de quitter la boîte froide 3 comme débit 22 pour rejoindre la boîte froide 4 pour le refroidissement final. La catalyse sert à la conversion ortho-para de l’hydrogène, de manière classique. . L’unité d’épuration P ne peuvent accepter qu’une charge de gaz assez pure, car un taux d’impuretés élevé conduit à des catalyseurs de dimensions plus importantes, augmentant les dimensions du module. Disposer l’épuration P dans la boîte froide 3A sera une solution à privilégier quand la charge de gaz 21 nécessite beaucoup d’épuration et donc des lits d’adsorbant de taille conséquente.
La boîte froide 3A contient également le thermosiphon 48A dont le liquide 50 est chauffé dans l’échangeur 16 et renvoyé au thermosiphon 48A. Un gaz 32 venant du thermosiphon se réchauffe dans l’échangeur 15 avec le gaz 19 par échange de chaleur avec le gaz 30 qui se refroidit avant d’être envoyé à l’échangeur 16.
Dans la , l’unité d’épuration P se trouve dans la boîte froide 3, la boite froide 3A contenant principalement le thermosiphon 48A et les échangeurs 15, 16.
Il sera remarqué que les connexions sont particulièrement simples.
L’invention permet la flexibilité d’avoir une charge 21 moins pure et provenant de n’importe quelle source par exemple un reformeur de type ATR ou SMR, un électrolyseur, une canalisation, un gisement d’hydrogène…
Elle permet d’augmenter la capacité de refroidissement et/ou de conversion catalytique en cas de besoin, en ne modifiant qu’une seule boîte froide.
Elle permet de réduire les pertes de charge sur le cycle de réfrigération.
Elle permet la fabrication des deux boites froides 3, 3A en parallèle pour réduire le temps de fabrication.

Claims (14)

  1. Installation de production d’un fluide refroidi, voire cryogénique(22, 23), en particulier de l’hydrogène liquéfié, comprenant un circuit (2) de gaz à refroidir ayant une extrémité amont (21) destinée à être reliée à une source de gaz et une extrémité aval (22) destinée à être reliée à au moins un système receveur, par exemple un stockage cryogénique, l’installation (1) comprenant un premier ensemble d’échangeurs (5, 6, 7) de chaleur en échange thermique avec le circuit (2) de gaz à refroidir, l’installation (1) comprenant un dispositif (8) de pré-refroidissement en échange thermique avec au moins une première partie (5, 6) du premier ensemble d’échangeurs de chaleur et configuré pour pré-refroidir le circuit (2) de gaz à refroidir jusqu’à une première température déterminée, l’installation (1) comprenant éventuellement en outre un dispositif (4) de refroidissement cryogénique en échange thermique avec au moins une seconde partie (7) du premier ensemble d’échangeur(s) de chaleur et configuré pour refroidir le circuit (2) de gaz à refroidir jusqu’à une seconde température déterminée inférieure à la première température, le dispositif (8) de pré-refroidissement comprenant un réfrigérateur à circuit (18) fermé de fluide de pré-refroidissement, le circuit fermé (18) comprenant un dispositif (28) de compression du fluide de pré-refroidissement, un dispositif de détente (38) du fluide de pré-refroidissement, au moins un premier et un deuxième thermosiphons distincts (48, 48A) du fluide de pré-refroidissement disposés en parallèle dans le circuit (18) de fluide de pré-refroidissement, ledit circuit (18) comprenant une ou des portions d’échange thermique avec au moins un de la première partie (5, 6) de l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur, un réfrigérateur à cycle de réfrigération d’un gaz de cycle dans un circuit (19) de travail, le gaz de cycle comprenant au moins l’un parmi: de l’hydrogène, de l’hélium, du néon, le circuit (19) de travail du réfrigérateur (9) comprenant un organe (29) de compression du gaz de cycle, un organe (15, 16, 7) de refroidissement du gaz de cycle comprimé, un organe (39) de détente du gaz de cycle comprimé et refroidi et un organe (7, 15) de réchauffage du gaz de cycle détendu, dans lequel l’organe (15, 16, 7) de refroidissement du gaz de cycle et/ou l’organe (7, 15) de réchauffage du gaz de cycle comprend un ou des premiers échangeurs de chaleur (15, 16) de cycle, distinct(s) du premier ensemble d’échangeurs de chaleur (5, 6) de pré-refroidissement du circuit (2) de gaz à refroidir, ces premiers échangeurs (15, 16) de chaleur de cycle étant également refroidi(s) par échange thermique avec le circuit (18) du fluide de pré-refroidissement du dispositif (8) de pré-refroidissement, une première boîte froide contenant au moins un échangeur de chaleur de la première partie (5, 6) de l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur, dont un échangeur de chaleur en échange thermique avec un flux de fluide de pré-refroidissement du circuit (18) sortant du premier thermosiphon (48), le premier thermosiphon et le dispositif de détente du fluide de prérefroidissement, une deuxième boîte froide contenant le deuxième thermosiphon, l’organe (15, 16) de refroidissement du gaz de cycle comprimé dont l’au moins un premier échangeur de chaleur en échange thermique avec un flux de fluide de pré-refroidissement du circuit (18) sortant du deuxième thermosiphon (48A), l’organe (39) de détente du gaz de cycle comprimé et refroidi et l’organe (15) de réchauffage du gaz de cycle détendu.
  2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première et/ou la deuxième boîte froide est isolée thermiquement au moyen de la perlite.
  3. Installation selon la revendication 1 ou 2, comprenant un dispositif (4) de refroidissement cryogénique en échange thermique avec au moins une seconde partie (7) du premier ensemble d’échangeur(s) de chaleur et configuré pour refroidir le circuit (2) de gaz à refroidir jusqu’à une seconde température déterminée inférieure à la première température, le dispositif de refroidissement cryogénique se trouvant dans une troisième boîte froide (4) isolée thermiquement sous vide.
  4. Installation selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu’elle comprend des moyens (P) pour épurer le gaz à refroidir refroidi, ces moyens se trouvant dans la deuxième boîte froide (3A), des moyens pour envoyer le gaz à refroidir refroidi dans un échangeur de chaleur dans la première boîte froide aux moyens pour épurer l’hydrogène, des moyens pour envoyer le gaz à refroidir e épuré dans les moyens pour épurer (P) à un échangeur de chaleur de la première boîte pour s’y refroidir.
  5. Installation selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un catalyseur (C1, C2) dans la première boîte froide.
  6. Installation selon la revendication 4 combinée à la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens pour épurer le gaz à refroidir (P) sont reliés à l’au moins un catalyseur (C1, C2) pour y envoyer le gaz à refroidir épuré.
  7. Installation selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 dans laquelle la première boîte froide ne contient pas de moyens pour épurer le gaz à refroidir, par exemple l’hydrogène.
  8. Installation selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 quand dépendante de la revendication 3, caractérisée en ce que la seconde partie (4) de l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur comprend au moins un second échangeur de chaleur (7) de cycle assurant un échange thermique entre le circuit (2) de gaz à refroidir et le circuit (19) de travail du dispositif (9) de refroidissement cryogénique.
  9. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que le second échangeur (7) de chaleur de cycle est en échange thermique avec une première portion du circuit (19) de travail du dispositif (9) véhiculant du gaz de cycle avant passage dans un organe (39) de détente et avec une seconde portion du circuit (19) de travail du dispositif (9) véhiculant du gaz de cycle après passage dans ledit organe (39) de détente.
  10. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le second échangeur (7) de chaleur de cycle est situé dans une troisième boîte froide (4) distincte des première et deuxième boîtes froides (3, 3A).
  11. Installationselon l’une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisée en ce que le fluide de pré-refroidissement comprend ou est constitué d’au moins un composant choisi dans le groupe : de l’azote, de l’argon, au moins un hydrocarbure choisi dans la liste méthane, éthane, éthylène, propane, propylène, butane, butène, pentane.
  12. Procédé de production d’un fluide refroidi, voire cryogénique, en particulier de l’hydrogène liquéfié, utilisant une installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, le procédé comprenant une étape de pré-refroidissement du flux de circuit (2) de gaz à refroidir à une première température comprise entre 65 et 100K et préférentiellement entre 77 et 90K, au moyen du dispositif (8) de pré-refroidissement, une étape de pré-refroidissement du fluide de cycle via le dispositif (8) de pré-refroidissement jusqu’à une température comprise entre 77 et 90K, et éventuellement une étape de refroidissement du gaz de circuit (2) de gaz à refroidir à une seconde température déterminée comprise entre 18 et 25K et préférentiellement entre 20 et 23K via le dispositif (9) de refroidissement cryogénique.
  13. Procédé selon la revendication 12 caractérisé en ce que au moins un échangeur (15, 16) de chaleur de cycle et/ou au moins un échangeur(s) de chaleur (5, 6) configuré(s) pour pré-refroidir le circuit (2) de gaz à refroidir à une première température déterminée est en échange thermique avec un flux de fluide de pré-refroidissement du circuit (18) sortant d’un des thermosiphons (48, 48A), au moins un thermosiphon fonctionnant à une pression entre 1,5 et 3,5 bara et à une température correspondante comprise entre 80,8K et 89,6K.
  14. Procédé selon la revendication 12 ou 13 dans lequel les premier et deuxième thermosiphons (48, 48A) fonctionnent à des pressions différentes.
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