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CA 02269147 1999-04-28
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PROCEDE ET DISPOSITIF DE LIQUEFACTION D'UN GAZ NATUREL SANS SEPARATION DE
PHASES SUR LES MELANGES REFRIGERANTS
La présente invention concerne un procédé et un dispositif permettant de
liquéfier un fluide
ou un mélange gazeux formé au moins en partie d'un mélange d'hydrocarbures,
par exemple un
gaz naturel.
Le gaz naturel est couramment produit en des sites éloignés des lieux
d'utilisation et il. est
courant de le liquéfier afin de le transporter sur de longues distances par
méthanier ou encore de le
stocker sous forme liquide.
Les procédés utilisés et divulgués dans l'art antérieur, notamment dans les
brevets
US-3.735.600 et US-3.433.026, décrivent des procédés de liquéfaction
comportant principalemént
une première étape au cours de laquelle le gaz naturel est prérefroidi par
vaporisation d'un mélange
réfrigérant, et une seconde étape qui permet de réaliser l'ppération finale de
liquéfaction du gaz
naturel, et d'obtenir le gaz liquéfié sous forme susceptible d'être
transportée ou stockée; la
réfrigération au cours de cette seconde étape étant également assurée par
vaporisation d'un
mélange réfrigérânt.
Dans de tels procédés, un mélange de fluides; utilisé comme fluide réfrigérant
dans le cycle
de réfrigération externe, est vaporisé, comprimé, refroidi en échangeant de la
chaleur avec un milieu
ambiant tel que de l'eau ou de l'air condensé, détendu et recyclé.
Le mélange réfrigérant utilisé dans le second étage dans lequel est assurée la
seconde étape
de réfrigération est refroidi par échange de chaleur avec le milieu ambiant de
refroidissement, eau
ou air, puis le premier étage dans lequel est assurée la première étape de
réfrigération.
A l'issue 'du premier étage, le mélange réfrigérant se présente sous la forme
d'un fluide
diphasique comportant une phase vapeur et une phase liquide. Lesdites phases
sont séparées, par
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exemple dans un ballon séparateur, et envoyées, par exemple, dans un échangeur
bobiné, dans
lequel la fraction vapeur est condensée, tandis que le gaz naturel est
liquéfié sous pression, la
réfrigération étant assurée par vaporisation de la fraction liquide de mélange
réfrigérant. La fraction
liquide obtenue par condensation de la fraction vapeur est sous-refroidie,
détendue et vaporisée
pour assurer la liquéfaction finale du gaz naturel, qui est sous-refroidi
avant d'être détendu à travers
une vanne ou une turbine pour produire le Gaz Naturel Liquéfié (GNL)
recherché.
La présence d'une phase vapeur nécessite une opération de condensation sur le
mélange
réfrigérant au niveau du second étage qui demande un dispositif relativement
complexe et coùteux.
Il a également été proposé dans le brevet du demandeur FR. 2.743.140 d'opérer
dans des
conditions de pression et de températures choisies pour obtenir à la sortie du
premier étage de
réfrigération un mélange réfrigérant entièrement monophasique condensé.
Ceci induit des contraintes, qui peuvent être pénalisantes pour l'économie du
procédé,
notamment du fait que la pression à laquelle le mélange réfrigérant utilisé
dans le deuxième étage
est comprimé, peut être relativement élevé.
La présente invention concerne un procédé et son dispositif de mise en ceuvre
palliant les
inconvénients précités de l'art antérieur.
La présente invention concerne un procédé permettant de liquéfier un gaz
naturel .
II est caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison au moins les étapes
suivantes :
a) on refroidit ledit gaz naturel au cours d'une première étape de
réfrigération jusqu'à une
température inférieure à - 30 C à l'aide d'un premier cycle de réfrigération
opérant à l'aide d'un
premier mélange de réfrigérant M, ledit premier mélange réfrigérant étant
comprimé, au moins
partiellement condensé par refroidissement à l'aide d'un fluide externe de
refroidissement, pré-
refroidit, puis sous refroidi, débay-b àau rrnins d2Lx nivk-ix de pre,ssirn et
vcpcrisé.
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b) on condense ledit gaz naturel issu de l'étape a) et on le sous-refroidit au
cours d'une deuxième
étape de réfrigération à l'aide d'un deuxième cycle de réfrigération opérant à
l'aide d'un
deuxième mélange réfrigérant MZ, ledit deuxième mélange réfrigérant étant
comprimé, refroidi à
l'aide d'un fluide externe de refroidissement, puis refroidi par échange de
chaleur avec le premier
mélange réfrigérant M, au cours de la première étape de réfrigération, à
l'issue de laquelle il se
trouve dans un état au moins partiellement condensé, ledit deuxième mélange
partiellement
condensé est envoyé sans séparation de phases vers la deuxième étape de
réfrigération où il
est condensé totalement, détendu et vaporisé à au moins deux niveaux de
pression, et
c) on détend ledit gaz naturel sous-refroidi issu de l'étape b) pour former le
GNL produit.
Le premier mélange de réfrigérant est par exemple détendu à au moins deux
niveaux de
pression.
Le premier mélange M, peut comprendre au moins de l'éthane, du propane et du
butane.
Le deuxième mélange MZ comprend, par exemple au moins du méthane, de l'éthane
et de
l'azote, et sa masse molaire peut être comprise entre 22 et 27.
On peut utiliser comme fluide externe de refroidissement un fluide ambiant
disponible, tel que
de l'air, de l'eau douce ou de l'eau de mer.
On réalise par exemple la première étape de réfrigération et la deuxième étape
de
réfrigération dans une même ligne d'échange comportant un ou plusieurs
échangeurs à plaques
montés en parallèle.
On choisit par exemple la température Tc de manière à équilibrer les
puissances de
compression sur les deux cycles de réfrigération assurant les étapes de
réfrigération et, chacun
desdits cycles comportant un système de compression entraîné par une turbine à
gaz identique.
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On comprime le deuxième mélange M, à une pression comprise, par exemple, entre
3 et 7
MPa.
On vaporise le deuxième mélange MZ à un premier niveau de pression étant
compris, par
exemple, entre 0,1 et 0,3 MPa et à un deuxième niveau de pression compris, par
exemple, entre 0,3
et 1 MPa.
Au cours de la deuxième étape de réfrigération, on peut séparer le deuxième
mélange
réfrigérant Mz en au moins deux fractions, détendre lesdites fractions à des
niveaux de pression
différents et réaliser un échange simultané de chaleur entre au moins le flux
de gaz naturel, le
deuxième mélange M, sous pression circulant dans un même sens et lesdites
fractions du mélange
détendues à des niveaux de pression différents circulant en sens opposé.
On réalise, par exemple, la deuxième étape de réfrigération en au moins une
première
section (Eõ) et une deuxième section (E42) successives, où
= on sépare une première fraction F, du mélange réfrigérant MZ, et
= on sous-refroidit ladite première fraction F, jusqu'à une température proche
de sa température de
bulle à un premier niveau de pression de détente, en détendant ladite première
fraction à un
niveau de pression de détente P, et on vaporise ladite première fraction de
détente sous-
détendue pour assurer au moins en partie la réfrigération de ladite première
section, et
= on poursuit le sous refroidissement de la deuxième fraction F2 du mélange MZ
restante jusqu'à
une température proche de sa température de bulle à un deuxième niveau de
pression de
détente PZ et en vaporisant ladite deuxième fraction pour assurer au moins en
partie la
réfrigération de la deuxième section.
La fraction molaire condensée du deuxième mélange M2 en sortie de la première
étape de
réfrigération est par exemple au moins égale à 90 %.
Le rapport molaire du débit total de mélange de réfrigérant MZ au débit de gaz
naturel est par
exemple inférieur à 1.
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La température Tc est choisie, par exemple, dans l'intervalle [- 40 et - 70
C].
L'invention concerne aussi un dispositif pour liquéfier un gaz naturel. Il est
caractérisé en ce
qu'il comporte :
5 = une première zone de réfrigération adaptée pour opérer dans des conditions
de température
jusqu'à au moins - 30 C, et obtenir en sortie un mélange réfrigérant MZ au
moins partiellement
condensé utilisé dans une deuxième zone de réfrigération, et ledit gaz naturel
sous-refroidi
jusqu'à au moins - 30 C, ladite première zone comportant un premier circuit
de préréfrigération à
l'aide d'un premier mélange de réfrigérant M,,
= une deuxième zone de réfrigération adaptée pour opérer à une température T
au moins
inférieure à - 140 C, à l'issue de laquelle ledit gaz naturel issu de la
première zone de
réfrigération est réfrigéré jusqu'à une température inférieure à - 140 C par
vaporisation dudit
mélange réfrigérant MZ issu de ladite première zone et envoyé sans séparation
de phase vers la
deuxième zone de réfrigération ,
= des moyens de détente dudit gaz naturel issu de la deuxième zone de
réfrigération,
= des moyens de détente et des moyens de compression desdits premiers et
deuxième mélange
de réfrigérant.
La deuxième zone de réfrigération est constituée, par exemple, d'une ligne
d'échange unique,
comportant quatre passes indépendantes (L,, L2, L3 et L, ) permettant le
passage du gaz naturel
sous-refroidi et du mélange de réfrigérant MZ; et des fractions dudit mélange
de réfrigérant M2 après
détente.
Selon une autre variante de réalisation la deuxième zone de réfrigération peut
comporter une
section d'échange (E,) comprenant au moins deux sections successives (E,,,
E12) et quatre lignes
d'échange (L,, L2, L, et L4 ).
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La première et la deuxième zone de réfrigération sont, par exemple, intégrées
dans une ligne
d'échange unique.
La première zone et la deuxième zone de réfrigération comportent, par exemple,
des
systèmes de compression entraînés chacun par une turbine à gaz.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la
lecture de la
description donnée ci-après à titre d'exemples de réalisation, dans le cadre
d'applications nullement
limitatives à la liquéfaction du gaz naturel, en se référant aux dessins
annexés où :
= la figure 1 schématise un exemple de cycle de liquéfaction tel que décrit et
utilisé dans l'art
antérieur,
= la figure 2 montre une variante de mise en oruvre du procédé selon
l'invention, et la figure 2A
une autre variante du second étage de réfrigération,
= la figure 3 schématise un schéma d'échangeur possible pour la deuxième étape
de réfrigération,
et
= la figure 4 illustre une variante où les deux étapes de réfrigération sont
réalisées dans une ligne
d'échange unique.
La figure 1 représente un schéma de principe d'un procédé de liquéfaction du
gaz naturel
utilisé dans l'art antérieur.
Le procédé comporte un premier étage de réfrigération du gaz naturel en sortie
duquel, la
température du gaz naturel et celle du mélange réfrigérant utilisé se trouvent
sensiblement à - 30
oc.
Le mélange réfrigérant utilisé dans le second étage de réfrigération, se
présente à la sortie du
premier étage, sous la forme d'un fluide diphasique comportant une phase
vapeur et une phase
liquide, lesdites phases étant séparées à l'aide d'un dispositif représenté
sur la figure par un ballon
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de séparation. Ces deux phases sont envoyées dans un échangeur bobiné
permettant de réaliser le
refroidissement final du gaz naturel prérefroidi au cours de la première
étape. Pour cela, la phase
vapeur issue du ballon séparateur est condensée en utilisant la fraction
liquide comme fluide de
réfrigération, puis sous-refroidie et vaporisée afin d'assurer la
réfrigération et la liquéfaction du gaz
naturel.
Principe du procédé selon l'invention
Il a été découvert qu'il est possible de liquéfier un gaz naturel en deux
étapes de réfrigération
et, chacune des étapes opérant à l'aide d'un cycle de réfrigération utilisant
respectivement un
premier mélange réfrigérant M, et un deuxième mélange réfrigérant Mz, chacun
de ces mélanges
réfrigérants étant vaporisé à au moins deux niveaux de pression pour assurer
chacune des étapes
de réfrigération, comprimé, condensé puis détendu, sans faire intervenir de
séparation de phases
sur l'un des mélanges réfrigérants et en achevant au cours de la deuxième
étape de réfrigération la
condensation du mélange réfrigérant MZ.
II a été également découvert que les deux étapes de réfrigération et peuvent
être réalisées à
l'aide d'une ligne d'échange unique comprenant un ou plusieurs échangeurs à
plaques montés en
parallèle.
Par rapport à l'art antérieur, le deuxième mélange de réfrigérant M 2 est
partiellement
condensé à l'issue de la première étape de réfrigération, transmis sans
séparation de phases vers
la deuxième étape de réfrigération puis totalement condensé au cours de la
deuxième étape.
Le principe de fonctionnement du procédé selon l'invention est illustré par le
schéma de la
figure 2 qui présente un exemple de réalisation.
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Le gaz naturel entre dans le première étage de réfrigération par un conduit 20
et en ressort
par un conduit 21 puis il est transmis dans le deuxième étage de réfrigération
d'où il ressort par un
conduit 22 avant d'être détendu à travers une vanne V ou une turbine pour
produire le GNL.
Le premier étage de réfrigération opère à l'aide d'un premier mélange
réfrigérant M,, qui est
comprimé dans le compresseur K, puis condensé dans l'échangeur E22 à l'aide
d'un fluide externe
de refroidissement disponible. Le mélange ainsi condensé est recueilli dans un
ballon D, puis
envoyé par un conduit 23 au premier étage de réfrigération. Il est ensuite
sous-refroidi dans une
première section E, du premier étage de réfrigération. A la sortie de cette
première section E,, une
première fraction F, du mélange M, est détendue à travers une vanne de détente
V, située sur un
conduit 24, à un premier niveau de pression puis vaporisée pour assurer la
réfrigération du gaz
naturel et du mélange réfrigérant condensé dans ladite première section E,. La
phase vapeur ainsi
obtenue est recyclée par un conduit 25 à un étage intermédiaire du compresseur
K, correspondant
au niveau de pression du mélange vapeur ainsi obtenu. Le reste du mélange M,
est sous-refroidi
dans une deuxième section E2 du premier étage de réfrigération. A la sortie de
cette deuxième
section E2, une seconde fraction FZ du mélange M, est détendue à un deuxième
niveau de pression
à travers une vanne de détente Vz, disposée sur un conduit 27, puis vaporisée
pour assurer la
réfrigération du gaz naturel et du mélange réfrigérant dans ladite deuxième
section EZ. La phase
vapeur ainsi obtenue est recyclée par un conduit 28 à un étage intermédiaire
du compresseur K,
correspondant au niveau de pression du mélange vapeur ainsi obtenu. La
dernière fraction F3 de
mélange M, est sous-refroidie dans une troisième section E, du premier étage
de réfrigération. A la
sortie de cette section E3, cette fraction restante de mélange M, est détendue
à travers une vanne
de détente V, (conduit 29b) à un troisième niveau de pression, puis vaporisée
pour assurer la
réfrigération du gaz naturel et du mélange réfrigérant dans ladite troisième
section E,. La phase
vapeur ainsi obtenue est recyclée à l'entrée du compresseur K, par un conduit
30.
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Le nombre de sections dans le premier étage de réfrigération peut varier par
exemple entre 1
et 4 et résulte d'une optimisation économique.
Il est également possible dans certains cas de ne condenser le mélange M, que
partiellement
dans E,,, puis d'achever sa condensation au cours de la première étape de
réfrigération. Dans le
principe du procédé selon l'invention, toutefois, le mélange M, circule de
préférence avec une
composition sensiblement constante, sans qu'il y ait de séparation de phases
entre les phases
liquide et vapeur qui conduirait à ce que chacune de ces phases suive un
circuit différent.
Le fluide externe de refroidissement peut être un fluide ambiant disponible,
tel que par
exemple l'air, de l'eau douce ou de l'eau de mer.
Le mélange réfrigérant M, est ainsi, de préférence, entièrement condensé par
refroidissement
à l'aide du fluide ambiant de refroidissement disponible puis sous-refroidi,
détendu et vaporisé à au
moins deux niveaux de pression.
Le mélange M, comprend par exemple de l'éthane, du propane et du butane. Il
peut
comprendre également d'autres constituants, tels que, par exemple, du méthane
et du pentane
sans sortir du cadre du procédé selon l'invention.
Les proportions, exprimées en fraction molaire, d'éthane (CZ), de propane (C,)
et de butane
(C,) comprises dans le mélange réfrigérant M, se situent de préférence dans
les intervalles suivants:
C2 = [30 , 70 %]
C3 = [30 , 70 %]
C4 = [0 , 20 %]
Le deuxième étage de réfrigération opère avec un deuxième mélange réfrigérant
M2, qui est
comprimé dans le compresseur K2, puis refroidi dans l'échangeur E24 à l'aide
du fluide externe de
refroidissement disponible. Le mélange M 2 est envoyé par un conduit 31 dans
les sections de
réfrigération du premier étage, E,, E2 et E, dans lesquelles il est refroidi
et au moins partiellement
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condensé. Il est ensuite transmis au deuxième étage de réfrigération par un
conduit 32. II est alors
complètement condensé et sous-refroidi dans la section de refroidissement E4
du deuxième étage.
Le mélange réfrigérant M, passe du premier étage au deuxième étage sans
séparation de phases.
Cette façon de procéder permet notamment de réaliser les deux étages de
réfrigération et
5 dans une même ligne d'échange.
A la sortie de la section de réfrigération Eõ le mélange MZ extrait par un
conduit 33 est séparé
en deux fractions F', et F'2 par exemple.
La première fraction F, du mélange MZ est détendue à travers une vanne de
détente V.
équipant un conduit 34 à un premier niveau de pression. Elle assure ensuite
une partie de la
10 réfrigération du gaz naturel et du mélange réfrigérant M2 dans la section
E,. La phase vapeur ainsi
obtenue est recyclée par un conduit 35 à un étage intermédiaire du compresseur
K2 correspondant
au niveau de pression du mélange vapeur ainsi obtenu.
La deuxième fraction F'z du mélange MZ restante est détendue à un deuxième
niveau de
pression, inférieur au premier niveau de pression, à travers une vanne de
détente V. disposée sur
un conduit 36puis vaporisée pour assurer la réfrigération du gaz naturel et du
mélange réfrigérant
dans la section E,. La phase vapeur ainsi obtenue est recyclée à l'entrée du
compresseur K2 par un
conduit 37.
La figure 2A schématise une autre variante pour effectuer la détente du
mélange M2 au
niveau du deuxième étage de réfrigération.
Il est aussi possible de détendre la totalité du mélange Mz condensé et sous
refroidi obtenu
en sortie de E,, au moyen d'une turbine de détente liquide T, jusqu'au dit
premier niveau de
pression précité et d'effectuer ensuite la séparation en deux fractions F, et
F'2. La fraction F, est
alors envoyée directement dans la section d'échange E, sans qu'il soit
nécessaire d'installer la
vanne V4. La fraction F'Z est elle détendue à nouveau jusqu'au dit deuxième
niveau de pression
précité à travers la vanne de détente VS puis envoyée dans la section
d'échange E4.
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Le mélange réfrigérant M , comprend par exemple du méthane et de l'éthane. Il
peut
comprendre également d'autres constituants, tels que par exemple de l'azote et
du propane sans
sortir du cadre du procédé selon l'invention.
Sa masse molaire est de préférence comprise entre 22 et 27.
Les proportions exprimées en fractions molaires d'azote (NZ), de méthane (C,),
d'éthane (Cz)
et de propane (C,) comprises dans le mélange réfrigérant M2 se situent de
préférence dans les
intervalles suivants:
N2 = [0 , 10 /a]
C, = [30 , 50 %]
C2 = [30 , 50 %]
C3 _ [0 , 10%]
La température Tc de sortie du premier étage de réfrigération (sur le gaz
naturel) peut être
choisie de manière à répartir de façon optimale les puissances de compression
sur les deux cycles
de réfrigération assurant les étapes de réfrigération. Dans une version
préférée du procédé selon
l'invention, chacun desdits cycles comprend un système de compression entraîné
par une turbine à
gaz identique.
La température Tc de prérefroidissement à la sortie du premier étage de
réfrigération est ainsi
de préférence comprise entre -40 et -70 C.
Dans une version préférée du procédé, les puissances de compression mises en
jeu sur les
deux cycles de réfrigération sont voisines, la puissance de compression mise
en jeu au cours de
l'étape de réfrigération étant comprise de préférence entre 45 et 55% de la
puissance de
compression mise en jeu au cours de l'étape de réfrigération.
Selon une version préférée du procédé, la fraction molaire condensée du
mélange réfrigérant
M2 en sortie de la première étape est au moins égale à 90%.
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Dans une version préférée, le rapport molaire du débit de mélange réfrigérant
M2 au débit de
gaz naturel est inférieur à 1.
Le nombre de niveaux de pression de détente dans le deuxième étage de
réfrigération peut
varier, par exemple entre 2 et 4 et résulte d'un choix conduisant à une
optimisation économique.
Le mélange réfrigérant M2 est comprimé à une pression par exemple comprise
entre 3 et 7
MPa.
Il est vaporisé à au moins deux niveaux de pression. Dans ce cas, le premier
niveau de
pression est compris par exemple entre 0,1 et 0,3 MPa et le deuxième niveau de
pression est
compris par exemple entre 0,3 et 1 MPa.
Le nombre de sections d'échange de chaleur peut varier. Ainsi, dans l'exemple
de réalisation
représenté sur la figure 2, on opère avec deux niveaux de pression de détente
et une section
d'échange E, en opérant tout au long de cette section d'échange, un échange de
chaleur simultané
entre au moins quatre flux circulant en parallèle dans au moins quatre passes
distinctes. Ces quatre
flux peuvent être, le gaz naturel sous-refroidi provenant de la première étape
de réfrigération, le
mélange MZ sous pression partiellement condensé, ces deux flux circulant dans
un même sens, et
les deux fractions du mélange M2 détendues à des niveaux de pression
différents circulant en sens
opposé.
Il est également possible d'opérer selon l'exemple de réalisation illustré par
la figure 3.
Dans cet exemple, la section d'échange de la deuxième étape de réfrigération
comporte deux
sections successives, Ed, et El..
Le flux de gaz naturel introduit par le conduit 21 circule dans la ligne L, à
travers la section
d'échange E4.
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Le deuxième mélange réfrigérant M2 introduit par le conduit 32 circule dans
une ligne L2.
Une première fraction F", de ce mélange M 2, sous-refroidie jusqu'à une
température proche
de sa température de bulle après détente, est prélevée et envoyée par une
ligne L, vers une vanne
de détente V42, où elle est détendue jusqu'au premier niveau de pression P,.
Cette première fraction
F", est vaporisée à la pression P, dans la section d'échange E42, pour assurer
au moins en partie la
réfrigération de cette section.
La fraction restante ou deuxième fraction F"2 continue à circuler dans la
ligne L2, où elle
continue à être sous-refroidie jusqu'à une température proche de sa
température de bulle au
deuxième niveau de pression de détente PZ. Elle est ensuite détendue à la
pression PZ à travers une
vanne de détente Võ puis vaporisée dans la section Eõ pour assurer sa
réfrigération. En sortie de
cette section E41, cette fraction est au moins partiellement vaporisée, la
vaporisation est achevée
dans la section E. F"Z circule dans la ligne L4.
On réalise ainsi un échange simultané entre le gaz naturel et le mélange M2
circulant sous
pression dans un même sens et les fractions du mélange MZ détendues à des
niveaux de pression
différents circulant en sens opposé.
Selon une autre variante de mise en oeuvre, non schématisée, le gaz naturel
entièrement
condensé et sous refroidi, peut être détendu au travers une vanne de détente
Vi jusqu'à une
pression Pi à un niveau intermédiaire de la section d'échange E, (par exemple
entre les sous
sections Eõ et E42). La pression Pi est choisie de manière à ce qu'après
détente jusqu'à cette
pression le gaz naturel reste entièrement condensé.
Les diverses vannes de détente des mélanges réfrigérants (Võ V21 V3, V41 V51
V,,, V421 V;)
peuvent être en partie ou en totalité remplacées par des turbines de détente
liquides, ce qui ne
change pas les caractéristiques principales du procédé de l'invention.
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En définitive, le procédé est notamment caractérisé en ce que :
(1) Le gaz naturel sous pression est refroidi et éventuellement partiellement
condensé, au cours
d'une première étape de réfrigération jusqu'à une température Tc au moins
inférieure à-30 C, à
l'aide d'un premier cycle de réfrigération opérant à l'aide d'un mélange
réfrigérant M, qui est
comprimé, au moins partiellement condensé par refroidissement à l'aide du
fluide ambiant de
refroidissement disponible puis sous-refroidi, détendu et vaporisé à au moins
deux niveaux de
pression.
(2) Le gaz naturel sous pression est ensuite totalement condensé puis sous-
refroidi au cours d'une
deuxième étape de réfrigération à l'aide d'un deuxième cycle de réfrigération
opérant à l'aide
d'un deuxième mélange réfrigérant Mz qui est comprimé, refroidi et au moins
partiellement
condensé au cours de la première étape de réfrigération par échange de chaleur
avec le premier
mélange réfrigérant M,, totalement condensé puis sous-refroidi au cours de la
deuxième étape
de réfrigération puis détendu et vaporisé à au moins deux niveaux de pression,
le mélange M2
étant totalement condensé puis sous-refroidi au cours des deux étapes
successives de
réfrigération et sans séparation entre les phases liquide et vapeur.
(3) Le gaz naturel sous-refroidi est détendu pour former le GNL produit.
Avantages
Un des avantages offert par le procédé selon l'invention est de pouvoir
réaliser l'ensemble
des étapes de réfrigération et dans une seule ligne d'échange, comprenant un
ou plusieurs
échangeurs à plaques montés en parallèle.
Ainsi, par exemple, on peut réaliser l'ensemble des échanges opérés dans les
sections E,, EZ,
E3 et E4 de l'exemple de réalisation illustré sur la figure 2, au moyen d'un
échangeur à plaques
unique ou de deux échangeurs à plaques en série soudés bout à bout, par
exemple de type
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échangeurs à plaques et ailettes en aluminium brasé. Cet échangeur est conçu
de manière à
pouvoir réaliser les soutirages et injections intermédiaires de mélange
réfrigérant, mais du fait
qu'aucune séparation de phases intermédiaire n'est opérée, l'ensemble des
échanges peut être
réalisé dans un seul équipement compact, comme cela est illustré sur le schéma
de la figure 4 où
5 les références des conduits d'introduction et d'extraction des différents
flux des mélanges
réfrigérants correspondent à celles de la figure 2.
La surface unitaire d'un assemblage de plaques brasées étant limitée, on peut
installer
plusieurs échangeurs de ce type en parallèle, ce qui se prête à une conception
modulaire de
l'installation de liquéfaction. Cette conception modulaire est un autre
avantage du procédé de
10 l'invention, puisqu'il devient possible de mettre hors service l'un des
modules de la ligne d'échange
(par exemple pour des opérations de maintenance, inspection, réparation) sans
mettre hors service
l'ensemble de la ligne et donc sans avoir à arrêter la production de GNL, qui
se trouve alors
seulement légèrement réduite.
15 Chacun des deux cycles de réfrigération assurant les étapes de
réfrigération et comprend un
système de compression entraîné de préférence par une turbine à gaz
indépendante T, et Tz.
Le procédé de l'invention permet également d'équilibrer les puissances
mécaniques entre les
deux étages de réfrigération et donc d'opérer en utilisant deux turbines à gaz
d'entraînement
identiques, ce qui constitue un avantage en terme de coûts (investissement,
maintenance).
Le procédé de l'invention ne nécessitant pas de séparation de phase sur les
mélanges
réfrigérants, permet de travailler en tout point du procédé avec des mélanges
réfrigérants de
composition constante, ce qui facilite l'opération du procédé en termes de
contrôle et de régulations.
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Le procédé de l'invention nécessite seulement la mise en oeuvre de débits
limités de
mélanges réfrigérants et notamment du mélange réfrigérant cryogénique MZ dont
le débit molaire
reste toujours inférieur à celui du gaz naturel à liquéfier. Ceci constitue
également un avantage
puisqu'on peut ainsi, par rapports aux procédés de liquéfaction connus,
réduire la taille des
équipements nécessaires à la mise en oeuvre de ce mélange réfrigérant
cryogénique
(compresseurs, lignes et ballons d'aspiration des compresseurs notamment).
Le procédé de l'invention est particulièrement économe en énergie, puisqu'il
permet de
liquéfier le gaz naturel en mettant en oeuvre des puissances mécaniques
généralement inférieures
à 800 kJ/kg GNL, valeur là aussi inférieure de plus de 10 % à celles
rencontrées pour les meilleurs
procédés concurrents. Cette faible consommation énergétique permet au procédé
de l'invention,
avec des turbines à gaz d'entraînement données, de produire significativement
plus de GNL que les
procédés connus à ce jour.
Exemple
Le procédé selon l'invention est illustré par l'exemple numérique suivant,
décrit en relation
avec les figures 2 et 2A.
Un gaz naturel est introduit par la ligne 20 dans l'échangeur E, à une
pression de 6 MPa et
une température de 30 C. La composition de ce gaz est la suivante, en
fraction molaire (%) :
méthane : 87.24
éthane : 6.40
propane : 2.26
isobutane : 0.48
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n-butane : 0.46
pentanes : 0.09
azote : 3.07
Ce gaz naturel est refroidi jusqu'à une température de - 60 C et
partiellement condensé,
dans les sections d'échange Eõ EZ et E, qui constituent l'étage de
réfrigération. Cet étage de
réfrigération met en oeuvre un mélange réfrigérant Ml dont la composition est
la suivante en
fractions molaires (%) :
éthane : 50.00
propane : 50.00
Le mélange M, est comprimé en phase gazeuse dans le compresseur multi-étagé K,
jusqu'à
une pression de 2.64 MPa. Il est refroidi et condensé jusqu'à une température
de 30 C dans
l'échangeur E2,d'où il sort entièrement condensé pour être admis dans la
section d'échange E, par
la ligne 23. Ce mélange condensé est alors sous refroidi dans la section
d'échange E, jusqu'à une
température de 0 C. En sortie de cette première section d'échange on prélève,
par la ligne 24, une
première fraction F, du mélange M,, qui est détendue à travers la vanne de
détente V, jusqu'à une
pression de 1.27 MPa. Cette fraction F, est ensuite vaporisée dans la section
E, puis renvoyée par
la ligne 25 à l'aspiration du dernier étage du compresseur K,. Le débit
molaire de la fraction F,
représente 36.4 % du débit molaire total du mélange M, en sortie du
compresseur K,.
Le reste du mélange M, est envoyé par la ligne 26 dans la section d'échange EZ
où il est
refroidi jusqu'à une température de - 30 C. En sortie de cette seconde
section d'échange on
prélève, par la ligne 27, une seconde fraction FZ du mélange M,, qui est
détendue à travers la vanne
de détente V2 jusqu'à une pression de 0.55 MPa. Cette fraction FZ est ensuite
vaporisée dans la
section E2 puis renvoyée par la ligne 28 à l'aspiration de l'étage
intermédiaire du compresseur K,. Le
CA 02269147 1999-04-28
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débit molaire de la fraction F. représente 36.1 % du débit molaire total du
mélange M, en sortie du
compresseur K,.
Le reste du mélange M,, représentant une fraction F,, est envoyé par la ligne
29 dans la
section d'échange E, où il est refroidi jusqu'à une température de - 60 C. En
sortie de cette
troisième section d'échange, cette fraction F, est détendue à travers la vanne
de détente V, jusqu'à
une pression de 0.19 MPa. Cette fraction F, est ensuite vaporisée dans la
section E, puis renvoyée
par la ligne 30 à l'aspiration du premier étage du compresseur K,.
Le gaz naturel refroidi et partiellement condensé en sortie de E3, à - 60 C,
est alors envoyé
par la ligne 21 vers la section d'échange E, qui constitue l'étage de
réfrigération. Cet étage de
réfrigération met en oeuvre un mélange réfrigérant M2 dont la composition est
la suivante en
fractions molaires (%)
méthane 47.40
éthane : 45.00
propane 2.00
azote : 5.60
Le mélange M2 est comprimé en phase gazeuse dans le compresseur multi-étagé K2
jusqu'à
une pression de 5.55 MPa. Il est refroidi jusqu'à une température de 30 C
dans l'échangeur E24 d'où
il sort entièrement gazeux pour être admis dans la section d'échange E, par la
ligne 31. II est alors
refroidi et entièrement condensé dans les sections d'échange Eõ EZ et E,
jusqu'à une température
de - 60 C. Il est ensuite admis par la ligne 32 dans la section d'échange E,
où il est sous refroidi
jusqu'à une température de - 150 C. Ce mélange MZ sous-refroidi est alors
envoyé par ligne 33 vers
une turbine-de détente liquide T où il est détendu jusqu'à une pression de
0.58 MPa.
Après cette première détente on prélève une fraction F, du mélange que l'on
envoie par la
ligne 34 vers la section d'échange Eõ où cette fraction F, est vaporisée. La
fraction F', ainsi
CA 02269147 1999-04-28
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vaporisée est alors envoyée par la ligne 35 à l'aspiration du second étage du
compresseur KZ. Le
débit molaire de cette fraction F', représente 50 % du débit molaire total du
mélange M2 en sortie du
compresseur K2.
L'autre fraction F'2 du mélange M2 obtenu après détente dans la turbine T est
envoyée par la
ligne 36 vers la vanne de détente VS où elle est détendue jusqu'à une pression
de 0.27 MPa. Cette
fraction F'2 est alors envoyée après détente vers la section d'échange E, où
elle est vaporisée puis
envoyée par la ligne 37 à l'aspiration du premier étage du compresseur K2.
Le gaz naturel ainsi liquéfié et sous refroidi est alors obtenu en sortie de
la section d'échange
Eõ par la ligne 22, sous une pression de 5.92 MPa et une température de - 150
C. Il peut alors être
détendu grâce à une vanne ou une turbine de détente pour produire le GNL.
Dans l'exemple ainsi indiqué le rapport molaire du débit du mélange
réfrigérant MZ au débit du
gaz naturel traité est égal à 0.883.
Pour une production de GNL de 450516 kg/h, les puissances mécaniques fournies
par les
compresseurs K, et KZ sont alors respectivement de 46474 KW et 45371 KW, soit
une puissance
mécanique totale d représentant 734 kJ par kg de GNL produit à-150 C.
