[0001] La liquéfaction du gaz naturel est une opération industrielle importante qui permet
de transporter le gaz naturel sur de longues distances par méthanier, ou de le stocker
sous forme liquide.
[0002] Les procédés utilisés actuellement réalisent l'opération de liquéfaction d'un "gaz
naturel" en faisant passer ce gaz naturel à travers des échangeurs et en le réfrigérant
au moyen d'un cycle frigorifique externe. Ainsi, les brevets US-3.735.600 et US-3.433.026
décrivent des procédés de liquéfaction au cours desquels le gaz est envoyé à travers
un ou plusieurs échangeurs de chaleur de manière à obtenir sa liquéfaction. Par "gaz
naturel", nous entendons par la suite un mélange formé majoritairement de méthane
mais pouvant contenir également d'autres hydrocarbures et de l'azote, sous quelque
forme qu'il se trouve (gazeuse, liquide ou diphasique). Le gaz naturel au départ se
présente majoritairement sous une forme gazeuse, et possède des valeurs de pression
et de température telles qu'au cours de l'étape de liquéfaction, il peut se présenter
sous différentes formes, par exemple liquide et gazeuse coexistant à un instant donné.
[0003] Dans de tels procédés, un cyde de réfrigération externe utilisant comme fluide réfrigérant
un mélange de fluides est mis en oeuvre. Un tel mélange en se vaporisant est susceptible
de réfrigérer et de liquéfier le gaz naturel sous pression. Après vaporisation, le
mélange est comprimé, condensé en échangeant de la chaleur avec un milieu ambiant
tel que de l'eau ou de l'air.
[0004] De plus, dans la plupart des procédés utilisant un mélange réfrigérant, la fraction
vapeur issue du séparateur est liquéfiée par un effet de cascade incorporée, la réfrigération
du gaz naturel ainsi que la réfrigération nécessaire pour assurer les étapes successives
de condensation de la fraction vapeur étant assurée par vaporisation des fractions
liquides de plus en plus légères issues de chacune des étapes de condensation partielle
du mélange réfrigérant.
[0005] De tels procédés sont complexes et mettent en jeu des surfaces d'échange élevées.
Ils nécessitent de plus des puissances de compression importantes et conduisent à
des coûts d'investissements élevés.
[0006] L'art antérieur décrit également des procédés fonctionnant par compression et détente
d'un gaz permanent tel que l'azote. Ces procédés présentent notamment comme avantage
d'être de conception simple.
[0007] Un procédé conformément au préambule de la revendication 1 est connu du document
US-A-3,932,154.
[0008] Néanmoins, leurs performances sont limitées et de ce fait, ils sont mal adaptés à
la réalisation d'unités industrielles de liquéfaction d'un gaz naturel.
[0009] Il a été découvert et c'est l'un des objets de la présente invention, qu'il est possible
de simplifier la conception d'un procédé de liquéfaction, notamment utilisé pour liquéfier
un gaz naturel, en utilisant un mélange réfrigérant, sans le condenser en totalité
au cours du cycle, en remplaçant, par exemple, l'étape de condensation finale du mélange
réfrigérant par une détente de la fraction de la phase vapeur issue d'une première
étape de condensation du mélange, et de la mélanger avec une fraction liquide détendue
pour obtenir un mélange réfrigérant utilisé pour liquéfier le gaz naturel, par exemple
par mise en contact et échange thermique.
[0010] Le mélange de la fraction liquide détendue avec la fraction vapeur détendue permet
d'abaisser la température à laquelle la fraction liquide commence à se vaporiser à
la pression basse du cycle.
[0011] Par rapport à l'art antérieur, la fraction vapeur n'est pas condensée en totalité
mais seulement partiellement condensée de manière à se présenter à la température
la plus basse du cycle sous forme d'un mélange comportant une fraction liquide en
proportion variable.
[0012] De manière à optimiser le procédé, il est possible de détendre la phase vapeur à
travers une turbine en récupérant la puissance mécanique de détente.
[0013] L'invention concerne un procédé de liquéfaction d'un gaz naturel sous pression comprenant
au moins un cycle de réfrigération à l'aide d'un mélange de fluides réfrigérants au
cours duquel on procède au moins aux étapes suivantes :
a) on condense au moins en partie ledit mélange réfrigérant an le comprimant et en
le refroidissant par exemple à l'aide d'un fluide externe de refroidissement, pour
obtenir au moins une fraction vapeur et une fraction liquide,
b) on détend séparément au moins en partie chacune desdites fractions vapeur et liquide
pour obtenir respectivement un fluide léger M1 composé en majorité d'une phase vapeur
et un fluide lourd M2 composé en majorité d'une phase liquide,
c) on mélange les fluides M1 et M2 pour obtenir un mélange à basse température, le
mélange étant formé avant d'être échangé thermiquement avec le gaz naturel,
d) on liquéfie et on sous-refroidi le gaz naturel sous pression par échange thermique
avec le mélange basse température obtenu au cours de l'étape c).
[0014] Il est caractérisé en ce que l'on effectue le mélange des deux fluides M1 et M2 au
cours de l'étape c) avant de réaliser l'échange thermique avec le gaz naturel.
[0015] Au cours de l'étape a) après condensation partielle, le mélange réfrigérant peut
être envoyé dans une section de distillation, pour obtenir une fraction M1 enrichie
en constituant(s) léger(s) et une fraction M2 enrichie en constituant(s) lourd(s).
[0016] De manière avantageuse, la fraction vapeur peut être détendue au cours de l'étape
b) à l'aide d'une turbine et on peut ainsi récupérer au moins une partie de l'énergie
mécanique.
[0017] Le mélange réfrigérant issu de l'échange thermique avec le gaz naturel lors de l'étape
d) peut être recyclé vers l'étape de compression a) du mélange réfrigérant.
[0018] Selon un mode de réalisation, on réalise, par exemple, au moins une étape de refroidissement
complémentaire du mélange M2 avant de le mélanger avec le mélange M1.
[0019] Le mélange M1 issu de la détente de la fraction vapeur provenant de la condensation
partielle du mélange réfrigérant est, par exemple, échangé thermiquement avec le gaz
naturel avant d'être mélangé avec la fraction issue de la détente de la fraction liquide
sous-refroidie, provenant de la condensation partielle du mélange réfrigérant.
[0020] Le mélange réfrigérant peut aussi être comprimé en au moins deux étapes entre lesquelles
une étape de refroidissement par échange thermique est effectuée, par exemple avec
un fluide extérieur de refroidissement, de l'eau ou de l'air disponible.
[0021] De manière avantageuse, on effectue au moins une étape de refroidissement complémentaire
du mélange réfrigérant et/ou d'une fraction liquide et/ou d'une fraction vapeur issues
de la condensation partielle du mélange à l'issue d'une étape de refroidissement à
l'aide, par exemple, d'un fluide extérieur de refroidissement.
[0022] Ainsi, la fraction liquide issue de la condensation partielle du mélange est, par
exemple, sous refroidie, avant d'être détendue, par échange thermique avec le mélange
basse température issu du mélange des fractions détendues.
[0023] Elle peut aussi être sous-refroidie, détendue et mélangée avec la fraction détendue
provenant du recyclage de la fraction vapeur, de façon à assurer, par échange thermique
avec le mélange ainsi obtenu l'étape de refroidissement complémentaire du mélange
issu de l'étape de compression, ainsi qu'une première étape de refroidissement du
gaz naturel, par exemple.
[0024] La fraction liquide est sous refroidie, par exemple, jusqu'à une température de préférence
inférieure à sa température de bulle à la pression basse du cycle.
[0025] Une autre façon de procéder consiste à sous refroidir, détendre et mélanger la fraction
liquide à différents niveaux de température correspondant à des stades successifs
d'échange thermique avec le gaz naturel refroidi.
[0026] Selon un autre mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, la fraction liquide
est sous refroidie, détendue et vaporisée de manière à assurer l'étape de refroidissement
complémentaire de la fraction vapeur du mélange issu de l'étape de compression et
de refroidissement à l'aide du fluide extérieur de refroidissement, eau ou air disponible,
ainsi qu'une première étape de refroidissement du gaz naturel sous pression, la fraction
détendue provenant du recyclage de la fraction vapeur étant comprimée jusqu'à par
exemple un niveau de pression intermédiaire entre la pression basse et la pression
haute du cycle et mélangée avec la fraction provenant de la vaporisation de la fraction
liquide, ladite fraction étant préalablement comprimée jusqu'à ladite pression intermédiaire,
le mélange résultant étant comprimé jusqu'à la pression haute du cycle.
[0027] Il est aussi possible de réaliser l'étape de refroidissement complémentaire d'au
moins une partie du mélange issu de l'étape de condensation partielle ainsi qu'une
première étape de refroidissement du gaz naturel sous pression à l'aide d'un premier
cycle de réfrigération opérant par exemple avec un mélange réfrigérant.
[0028] Il est aussi possible d'effectuer une étape de refroidissement complémentaire du
gaz naturel.
[0029] La fraction vapeur peut subir au moins deux étapes de condensation partielle successives
par refroidissement sous pression, la fraction vapeur issue de chacune de ces étapes
étant séparée et envoyée à la suivante, la fraction vapeur issue de la dernière étape
de condensation partielle étant détendue au moins partiellement dans une turbine,
par exemple en récupérant, de préférence, au moins une partie de la puissance mécanique
de détente puis mélangée avec au moins une des fractions liquides, préalablement détendue
en obtenant un mélange à basse température qui est échangé thermiquement avec le gaz
naturel sous pression.
[0030] On peut utiliser comme mélange réfrigérant un fluide comprenant de l'azote et des
hydrocarbures ayant un nombre d'atomes de carbone compris entre 1 et 5 et de préférence
au moins 10% d'azote en fraction molaire.
[0031] Le mélange réfrigérant utilisé dans le procédé possède, par exemple, une pression
égale au moins à 200 kPa à l'aspiration d'un compresseur lors de l'étape a).
[0032] Le mélange M1 comporte par exemple moins de 10% de fraction liquide en fraction molaire.
[0033] Lorsque le gaz naturel comporte des hydrocarbures autres que le méthane, ces hydrocarbures
peuvent être séparés au moins an partie par condensation et/ou distillation, par exemple
à l'issue d'une première étape de refroidissement du gaz naturel sous pression.
[0034] Il en est de même pour un gaz naturel comprenant de l'azote et/ou de l'hélium, ces
constituants pouvant être au moins en partie séparés par vaporisation et/ou distillation,
ladite vaporisation provoquant un refroidissement complémentaire du gaz naturel refroidi
sous pression à l'état liquide.
[0035] Le gaz naturel à l'état liquide sous-refroidi sous pression est, par exemple, détendu
au moins en partie dans une turbine jusqu'à une pression proche de la pression atmosphérique,
en produisant le gaz naturel liquéfié qui est ensuite exporté.
[0036] La présente invention concerne aussi une installation de refroidissement d'un fluide,
notamment de liquéfaction d'un gaz naturel à l'aide d'un mélange réfrigérant, comportant
un premier dispositif de condensation du mélange réfrigérant comprenant au moins un
compresseur K
1 et un condensateur C
1, un dispositif S
1 permettant de séparer la fraction vapeur de la fraction liquide issues du premier
dispositif de condensation, des dispositifs T
1 et V
1 permettant de détendre respectivement les fractions liquide et vapeur séparées et
au moins un dispositif E
1, tel qu'un échangeur.
[0037] Elle est caractérisée en ce que ledit échangeur est pourvu d'au moins un conduit
d'introduction du mélange desdites fractions liquide et vapeur détendues et un conduit
d'introduction dudit fluide, ledit mélange étant mis en contact thermique avec le
fluide à refroidir.
[0038] Le dispositif de détente T
1 de la fraction vapeur et/ou le dispositif de détente V
1 est une turbine, de manière à récupérer au moins une partie de l'énergie mécanique.
[0039] Selon une façon de procéder, l'installation comporte un dispositif de refroidissement
complémentaire des fractions liquide et/ou vapeur détendues, du gaz naturel ou du
mélange réfrigérant.
[0040] Ainsi, la présente invention offre de nombreux avantages par rapport aux procédés
habituellement utilisés dans l'art antérieur.
[0041] La condensation partielle de la fraction vapeur suivie d'une simple détente représente
une méthode plus simple et plus économique que celle qui consiste à réaliser un refroidissement
total conduisant à une liquéfaction totale de la fraction vapeur.
[0042] Les fractions liquide et vapeur issues d'une première étape de condensation du mélange
réfrigérant sont détendues séparément et mélangées après détente pour obtenir un mélange
réfrigérant dit mélange à basse température qui permet d'abaisser la température de
vaporisation de la fraction liquide.
[0043] De plus, l'utilisation d'une turbine permet de récupérer la puissance mécanique.
[0044] La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront clairement
à la lecture de quelques exemples, non limitatifs, illustrés par les figures suivantes
:
- la figure 1 schématise un exemple de cycle de réfrigération tel que décrit dans l'art
antérieur comportant un cycle de pré-réfrigération,
- la figure 2 représente un schéma de principe du cycle de liquéfaction d'un gaz naturel
selon l'invention où le mélange réfrigérant est obtenu par réfrigération et condensation,
- la figure 3 montre un autre exemple de réalisation où le mélange est obtenu à partir
de fluides provenant d'une opération de distillation,
- les figures 4, 5 , 6 et 7 montrent des variantes de réalisation comprenant une étape
de refroidissement complémentaire d'au moins un des fluides mis en oeuvre dans le
procédé,
- les figures 8 et 9 schématisent des modes de réalisation dans lesquels la fraction
vapeur détendue est refroidie avant d'être mélangée à la fraction liquide détendue,
- la figure 10 montre un exemple de réalisation où la condensation partielle de la fraction
vapeur s'effectue en plusieurs étapes, et
- la figure 11 schématise une mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
[0045] Le schéma de principe utilisé dans l'art antérieur pour liquéfier un gaz naturel
est rappelé brièvement à la figure 1.
[0046] Le procédé de liquéfaction comporte un cycle de pré-réfrigération qui permet de condenser
le mélange utilisé dans le cycle de réfrigération principal. Ces deux cycles utilisent
un mélange de fluide comme fluide réfrigérant qui en se vaporisant liquéfie le gaz
naturel sous pression. Après vaporisation, le mélange est comprimé, condensé en échangeant
de la chaleur avec le milieu ambiant, tel que de l'eau ou de l'air, disponible et
dans la plupart des cas recyclé pour participer à une nouvelle étape de liquéfaction.
[0047] Le principe mis en oeuvre dans l'invention décrite ci-après consiste à refroidir
un fluide et notamment à liquéfier et à sous-refroidir un gaz naturel sous pression,
par exemple, en refroidissant la fraction vapeur issue d'une première étape de condensation
d'un mélange réfrigérant par simple détente et en mélangeant cette fraction vapeur
partiellement condensée à une fraction liquide, provenant de la première étape de
condensation, détendue pour obtenir un mélange réfrigérant à basse température. Ce
mélange réalise au cours d'un échange thermique, par exemple la liquéfaction et le
sous-refroidissement d'un gaz naturel sous pression.
[0048] Le procédé afin de mieux cerner l'invention est décrit ci-après pour son application
à la liquéfaction d'un gaz naturel sous pression, en relation avec la figure 2.
[0049] Le gaz naturel sous pression à liquéfier arrive dans un échangeur E
1 par un conduit 1 et ressort de cet échangeur après liquéfaction par un conduit 2.
[0050] Le mélange réfrigérant utilisé au cours du procédé est tout d'abord comprimé dans
un compresseur K
1, puis envoyé par une conduite 3 à un condenseur C
1 dans lequel il est refroidi et au moins partiellement condensé, par exemple au moyen
d'un fluide extérieur de refroidissement, tel que de l'eau ou de l'air. Le mélange
diphasique obtenu après condensation est envoyé par un conduit 4 dans un ballon séparateur
S
1. A l'issue de cette séparation, la fraction vapeur est évacuée par exemple par un
conduit 5 situé de préférence dans la partie supérieure du séparateur S
1 et envoyée dans un dispositif de détente, tel qu'une turbine T
1. Cette détente provoque un refroidissement de la fraction vapeur jusqu'à une température,
de préférence, sensiblement voisine de la température du gaz naturel liquéfié final
produit, par exemple à une température voisine de 115K. La fraction vapeur détendue
et refroidie se présente sous la forme d'un fluide M1 dit fluide léger comportant
en majorité une phase vapeur, envoyé dans un conduit 9 pour être mélangé avec la fraction
liquide de la manière décrite ci-après.
[0051] La puissance mécanique de détente peut avantageusement être récupérée pour entraîner
au moins en partie le compresseur K
1.
[0052] La fraction liquide sort du séparateur S
1 par un conduit 6 situé par exemple dans la partie inférieure du séparateur S
1 et relié à l'échangeur E
1. Cette fraction liquide est sous refroidie dans l'échangeur E
1, d'où elle ressort par un conduit 7 puis elle est détendue à travers une vanne de
détente V
1 et envoyée après détente à travers un conduit 8. La fraction liquide détendue se
présente sous la forme d'un fluide M2 composé en majorité de phase liquide ou fluide
lourd qui est évacué par un conduit 8.
[0053] Le fluide M1 provenant du conduit 9 est mélangé avec le fluide M2 provenant du conduit
8 pour former un mélange réfrigérant à basse température, dont la température est
proche de la température finale du gaz naturel liquéfié produit. La température de
ce mélange se situe en-dessous de la température de bulle de la fraction liquide M2
pour une pression identique.
[0054] Le mélange réfrigérant à basse température est envoyé vers l'échangeur E
1 dans lequel il est utilisé pour réfrigérer le gaz naturel sous pression, par échange
thermique ainsi que pour sous refroidir la fraction liquide avant détente.
[0055] Dans ces conditions, le mélange réfrigérant reste au moins partiellement à l'état
vapeur tout au long du cycle.
[0056] Il reste néanmoins possible de condenser entièrement une partie de la fraction vapeur,
en envoyant par exemple une partie de la fraction vapeur dans l'échangeur E
1 par le conduit 5' comme le montre le schéma de la figure 2. La proportion de fraction
vapeur qui est envoyée dans l'échangeur peut être contrôlée par exemple par une vanne
pilotée en débit.
[0057] Au cours de cette étape de liquéfaction, la fraction liquide au sein du mélange est
vaporisée et le mélange vapeur en résultant est par exemple recyclé vers le compresseur
K
1 par un conduit 11. La température de refroidissement du gaz naturel et, éventuellement,
de toute fraction liquide ou vapeur passant dans l'échangeur E
1 s'effectue, par exemple, jusqu'à une température sensiblement voisine de la température
obtenue par mélange des deux fluides M1 et M2.
[0058] Le gaz naturel sort liquéfié sous pression de l'échangeur E
1 par le conduit 2, est détendu à travers une vanne de détente V
2, par exemple jusqu'à une valeur de pression sensiblement voisine de la pression atmosphérique,
puis évacué vers un lieu de stockage et/ou d'expédition, par exemple.
[0059] Le mélange résultant après échange thermique dans l'échangeur E
1 est évacué puis recyclé par un conduit 11 vers le compresseur K
1. Il est, par exemple, comprimé puis refroidi par échange thermique avec le fluide
extérieur de refroidissement, eau ou air disponible.
[0060] Le mélange réfrigérant à basse température peut aussi servir à sous refroidir la
fraction liquide provenant du ballon séparateur S
1, cette dernière étant alors refroidie jusqu'à une température inférieure à sa température
de bulle à une valeur de la pression sensiblement égale à la pression basse du cycle.
Dans de telles conditions, sa détente à travers la vanne de détente n'entraîne pas
de vaporisation, ce qui permet de limiter les irréversibilités mécaniques et d'améliorer
les performances du cycle de réfrigération.
[0061] Cette version simplifiée du mode de réalisation du procédé selon l'invention permet
d'illustrer certaines de ses caractéristiques essentielles, notamment la simplification
de la conception du procédé, l'étape de condensation totale de la fraction vapeur
habituellement effectuée dans l'art antérieur étant remplacée au moins en partie par
une simple détente dans une turbine, effectuée en phase vapeur, avec une production
nulle ou réduite de phase liquide.
[0062] Une partie de la fraction vapeur peut être néanmoins refroidie et condensée, selon
les différentes modalités connues dans l'art antérieur, la fraction liquide ainsi
obtenue étant détendue et mélangée avec les fractions M1 et M2 pour former le mélange
à basse température qui, par échange thermique, permet de liquéfier et de sous-refroidir
le gaz naturel sous pression.
[0063] Il en résulte différents avantages et notamment la possibilité d'incorporer au mélange
réfrigérant des constituants légers en proportions relativement importantes, tels
que l'azote. En effet, une fraction du mélange reste constamment en phase vapeur au
cours du cyde, ce qui permet d'opérer à un niveau de pression relativement élevé à
l'aspiration du compresseur, de préférence à une valeur de pression supérieure ou
égale à 200 kPa, et donc de réduire la taille du compresseur et de diminuer l'incidence
des pertes de charge éventuelles.
[0064] De plus, en évitant de dépenser une part significative de la puissance de réfrigération
produite pour liquéfier complètement le mélange réfrigérant, on améliore les performances
et le rendement global du cycle.
[0065] Une des manières de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention consiste donc à
procéder par exemple selon les étapes suivantes :
a) on condense au moins en partie ledit mélange réfrigérant en le comprimant et en
le refroidissant, pour obtenir au moins une fraction vapeur et une fraction liquide,
b) on détend séparément au moins en partie chacune desdites fractions vapeur et liquide
pour obtenir un fluide léger M1 composé en majorité d'une phase vapeur et un fluide
lourd M2 composé en majorité de phase liquide,
c) on mélange au moins en partie les fluides M1 et M2 pour obtenir un mélange à basse
température,
d) on liquéfie et on sous-refroidi le gaz naturel sous pression par échange thermique
avec le mélange à basse température obtenu au cours de l'étape c), et l'on effectue
le mélange des deux fluides M1 et M2 au cours de l'étape c) avant de réaliser l'échange
thermique avec le gaz naturel, la fraction liquide étant vaporisée au cours de l'échange
thermique et le mélange vapeur résultant de l'échange thermique étant recyclé, par
exemple vers le compresseur.
[0066] Dans l'exemple décrit ci-dessus à la figure 2, les fluides M1 et M2 sont obtenus
par simple réfrigération et condensation partielle d'un mélange initial, les deux
phases obtenues étant séparées par gravité.
[0067] La figure 3 décrit un mode de réalisation préférentielle du procédé selon l'invention
où le mélange réfrigérant est formé par exemple à partir de deux fluides obtenus par
une étape de fractionnement plus poussée que l'étape décrite à la figure 2, par exemple
une étape de distillation.
[0068] Avantageusement, à l'issue de l'opération de distillation, on obtient un fluide léger
M1 enrichi en constituants légers, permettant d'obtenir après mélange des fluides
M1 et M2 détendus, une température de début de vaporisation du fluide M1 nettement
plus basse que la température de bulle qu'il aurait en l'absence du fluide M2.
[0069] On procède par exemple de la manière suivante.
[0070] Le mélange réfrigérant en phase vapeur sous pression entre par le conduit 61 dans
l'échangeur E61 dans lequel il subit une première étape de réfrigération en même temps
que le gaz naturel qui entre dans le conduit 69 et sort par le conduit 70. Le mélange
réfrigérant partiellement condensé sort de l'échangeur E61 par le conduit 62. Il est
alors envoyé dans la section de distillation D60. A la sortie de cette section de
distillation, on recueille le fluide léger M1 par le conduit 63 et le fluide lourd
M2 par le conduit 65. Le fluide M2 est sous-refroidi dans l'échangeur E62 d'où il
ressort par le conduit 66 puis est détendu à travers la vanne de détente V61. Le fluide
M1 est détendu et refroidi par détente à travers la turbine T60 d'où il ressort par
la conduite 64. Il est alors mélangé avec le fluide M2 provenant de la détente à travers
la vanne V61 et arrivant par le conduit 67. Il en résulte un mélange réfrigérant à
basse température qui entre dans l'échangeur E62 par le conduit 68 et en ressort par
le conduit 74. Il est ainsi possible d'assurer dans l'échangeur E62 le sous-refroidissement
du mélange M2 ainsi que la liquéfaction et le sous-refroidissement du gaz naturel,
qui après séparation des hydrocarbures condensables dans le séparateur S1 entre par
le conduit 71 dans l'échangeur E62, d'où il ressort par le conduit 72, liquide sous
pression. Par détente à travers la vanne de détente V62, de ce liquide sous pression,
on obtient le GNL produit qui est évacué par le conduit 73.
[0071] L'exemple numérique suivant illustre la façon dont on peut réaliser un mélange à
basse température à partir de deux fluides M1 et M2 issus d'une opération de fractionnement
par distillation.
[0072] Le fluide réfrigérant entre dans l'échangeur E61 par le conduit 61 à une température
de +40° et à une pression de 40 bar abs.
[0073] Sa composition molaire est la suivante :
C1: 0.45
N2: 0.45
C2: 0.05
C3: 0.05
[0074] Il ressort de l'échangeur E61 par le conduit 62 à une température de -36°C et une
pression de 40 bar abs et envoyé dans la colonne de distillation D60 où il est séparé
en un distillat gazeux M1 évacué par le conduit 63 et un résidu M2 évacué par le conduit
65 ayant respectivement les compositions données ci-après.
|
Composition du distillat |
Composition du résidu |
C1 |
0.1 |
0.8 |
N2 |
0.9 |
0.0 |
C2 |
0.0 |
0.1 |
C3 |
0.0 |
0.1 |
[0075] Le bilan matière pour une alimentation de 200 mol/h est, par exemple, le suivant
: le débit de distillat est sensiblement de 100 mol/h et le débit de résidu de 100
mol/h.
[0076] Le distillat gazeux M1 issu par la conduite 63 est détendu à travers une turbine
de détente T60 jusqu'à une pression de 3 bar. Pour une turbine de rendement isentropique
de 80%, la température de sortie est de -140°C et la fraction liquide de 0%. Ce fluide
M1 est envoyé de la turbine vers l'échangeur E62 par le conduit 64.
[0077] Le résidu liquide M2 issu de la distillation par la conduite 65 est introduit dans
l'échangeur E62, d'où il ressort par le conduit 66 à une température de -85°C. Il
est détendu à travers la vanne V61 jusqu'à une pression de 3 bar de manière à obtenir
un fluide M2 ayant une température par exemple sensiblement égale à -140°C par détente
isenthalpique, qui est évacué par le conduit 67.
[0078] Les deux fluides M1 et M2 détendus, sont ensuite mélangés dans le conduit 68 relié
aux deux conduits 64 et 67, pour former un mélange réfrigérant basse température permettant
de réaliser l'étape a) du procédé de liquéfaction. Lors du mélange des deux fluides,
les fractions lourdes du fluide le plus lourd se vaporisent au contact des fractions
légères du fluide le plus léger ; cette vaporisation génère un abaissement de température.
Dans cet exemple, le mélange obtenu à partir des fluides détendus M1 et M2 est à une
température de -151°C dans le conduit 68, ce qui correspond à un abaissement de température
de 11°C.
[0079] Ce mélange basse température est utilisé, par exemple, pour assurer la liquéfaction
et le sous-refroidissement final du gaz naturel dans l'échangeur E62 et son pré-refroidissement
dans l'échangeur E61 selon les étapes décrites ci-dessous.
[0080] Le gaz naturel à liquéfier entre, par exemple, par le conduit 69 dans l'échangeur
E61 à une température de 40°C, et est refroidi à l'aide du mélange réfrigérant issu
de l'échangeur E62 jusqu'à une température d'environ -36°C. Il est ensuite envoyé
par le conduit 70 dans le dispositif de fractionnement S60, dans lequel il est épuré
des fractions les plus lourdes.
[0081] A l'issu de cette étape de fractionnement, la fraction légère composée majoritairement
de méthane et/ou d'azote et/ou d'éthane entre par le conduit 71 dans l'échangeur E62.
A l'intérieur de cet échangeur, cette fraction légère est condensée et refroidie jusqu'à
une température de -148°C à l'aide du mélange réfrigérant basse température qui pénètre
par le conduit 68 avec une température de -151°C circule à contre-courant de la fraction
légère et ressort de l'échangeur à une température sensiblement égale à -40°C par
le conduit 74.
[0082] La fraction légère condensée et refroidie ressort en phase liquide par le conduit
72 puis est détendue à travers la vanne V62 jusqu'à une pression légèrement supérieure
à la pression atmosphérique, qui correspond à une température de -160°C. Le produit
obtenu est le gaz naturel liquéfié (GNL) évacué par le conduit 73.
[0083] Le mélange réfrigérant sortant de l'échangeur par le conduit 74 à une température
de -40°C est envoyé dans l'échangeur E61 où il assure, par exemple, la préréfrigération
du gaz naturel comme il a été décrit ci-dessus. Il ressort de cet échangeur par le
conduit 75 à une température de 35°C pour être, par exemple, recomprimé, puis refroidi
à température ambiante avant d'être recyclé dans l'échangeur E61 par le conduit 61.
[0084] Les figures 4 à 7 ci-après décrivent des variantes de traitement des fractions liquides
et vapeur issues du condenseur C
1, ainsi que du gaz naturel comportant par exemple une étape de refroidissement complémentaire
effectuée sur le mélange ou l'une des fractions liquides ou vapeurs à l'issue d'une
étape de refroidissement par exemple réalisée avec un fluide extérieur ou encore sur
le gaz naturel.
[0085] Une version préférée du procédé selon l'invention décrit en relation avec la figure
4 consiste à poursuivre la condensation d'au moins une partie du mélange réfrigérant,
jusqu'à une température inférieure à la température du fluide extérieur de refroidissement,
air ou eau.
[0086] Le mélange réfrigérant est envoyé par un conduit 12 du condenseur C
1 vers un échangeur complémentaire E
2 dans lequel il est refroidi. Le mélange réfrigérant ainsi refroidi est envoyé vers
le ballon séparateur S
1 par le conduit 4 pour être ensuite traité de la manière décrite ci-dessus avec la
figure 2.
[0087] Cette étape de refroidissement complémentaire peut être effectuée au moins en partie
par échange thermique avec le mélange réfrigérant recyclé de l'échangeur E
1, provenant du conduit 11 qui traverse les deux échangeurs E
1 et E
2, par exemple.
[0088] L'échangeur complémentaire E
2 permet par exemple de refroidir le gaz naturel sous pression au cours d'une première
étape de refroidissement avant d'être envoyé par un conduit 13 vers l'échangeur E
1 où il subit une deuxième étape de refroidissement. Le gaz naturel ressort de l'échangeur
E
1 sous forme liquide sous pression avant d'être détendu à travers la vanne V
2 et évacué.
[0089] Une réfrigération complémentaire peut selon une autre variante de l'invention être
assurée par échange thermique, à l'aide d'un fluide réfrigérant pénétrant dans l'échangeur
E
2 par un conduit 15 et quittant de l'échangeur par un conduit 16.
[0090] Il est notamment possible de fournir cet apport de puissance de réfrigération en
vaporisant au moins une partie d'une fraction liquide du mélange réfrigérant.
[0091] La figure 5 schématise un premier exemple de réalisation dans lequel, le fluide traversant
l'échangeur E
2 provient de la vaporisation d'au moins une fraction liquide du mélange réfrigérant.
[0092] Le mélange réfrigérant au moins partiellement condensé est envoyé du condenseur C
1 vers un ballon séparateur S
3. A l'issue de cette séparation la fraction vapeur est envoyée par un conduit 17,
par exemple vers l'échangeur E
2.
[0093] La fraction liquide est soutirée du ballon S
3 par un conduit 18 et envoyée dans l'échangeur E
2 d'où elle ressort sous-refroidie par un conduit 19. Cette fraction liquide sous-refroidie
est détendue à travers une vanne de détente V
3, et renvoyée par un conduit 20 vers l'échangeur E
2. La fraction liquide détendue est mélangée avec le mélange vapeur recyclé provenant
de l'échangeur E
1, l'ensemble étant ensuite recyclé vers l'échangeur E
2.
[0094] Un tel mélange permet de sous-refroidir la fraction liquide, de refroidir la fraction
vapeur pénétrant dans l'échangeur E
2 et, éventuellement, le gaz naturel lors d'une première étape de refroidissement.
La fraction vapeur ainsi pré refroidie ressort de l'échangeur E
2 partiellement condensée par le conduit 4 avant d'être envoyée aux étapes du procédé
décrites à la figure 2.
[0095] Dans cette version du procédé, la fraction liquide issue de la condensation partielle
du mélange réfrigérant, obtenue par refroidissement à l'aide du fluide extérieur de
refroidissement disponible, est sous-refroidie, détendue et mélangée avec la fraction
détendue provenant du recyclage de la fraction vapeur, de façon à assurer, par échange
thermique avec le mélange ainsi obtenu, l'étape de refroidissement complémentaire
du mélange issu de l'étape de compression, ainsi qu'une première étape de refroidissement
du gaz naturel sous pression.
[0096] La fraction liquide du mélange réfrigérant dont la vaporisation assure l'apport de
puissance de réfrigération nécessaire dans l'échangeur E
2 peut également être séparée à un niveau de pression intermédiaire comme l'illustre
le schéma de la figure 6.
[0097] Dans ce cas, le mélange réfrigérant est comprimé dans un premier étage de compression
jusqu'à un niveau de pression intermédiaire puis refroidi par un fluide de refroidissement
disponible eau ou air dans l'échangeur C
10 et partiellement condensé. La phase liquide obtenue est séparée dans le ballon séparateur
S
30, puis envoyée à l'échangeur E
2 dans lequel elle est sous-refroidie. Elle est alors envoyée par le conduit 19 à la
vanne de détente V
3 puis vaporisée dans l'échangeur E
2 d'où elle ressort par le conduit 11 pour être recyclée au compresseur K
10.
[0098] La phase vapeur issue du séparateur S
30 subit une étape de compression complémentaire dans le compresseur K
20, puis elle est refroidie dans l'échangeur C
20. Le mélange liquide-vapeur résultant est alors envoyé dans l'échangeur E
2. Les fractions liquide et vapeur peuvent être envoyées simultanément, l'écoulement
s'effectuant par exemple par gravité ou séparément, la fraction liquide étant, par
exemple, pompée. Dans l'échangeur E
2, la condensation partielle du mélange est poursuivie et les phases liquide et vapeur
ainsi obtenues sont envoyées par le conduit 4 au ballon séparateur S
1 dans lequel elles sont séparées. Les deux fractions ainsi obtenues sont envoyées
aux étapes du procédé décrites à la figure 2.
[0099] Une autre possibilité consiste à éviter de mélanger la fraction liquide issue du
condenseur sous refroidie et détendue avec la fraction détendue provenant du recyclage
de la fraction vapeur.
[0100] Une autre manière de procéder consiste à réaliser l'étape de pré refroidissement
ou étape de refroidissement complémentaire en utilisant un premier cycle de réfrigération
fermé.
[0101] La figure 7 schématise une manière de procéder selon ce schéma utilisant un mélange
de réfrigérants, constitué par exemple d'éthane, de propane et de butane, pour effectuer
un refroidissement complémentaire d'au moins une partie du mélange issu de l'étape
de compression, ainsi qu'une première étape de refroidissement du gaz naturel sous
pression.
[0102] Le premier cycle de réfrigération comporte, par exemple, des compresseurs K
21, K
22, des condenseurs associés aux compresseurs, respectivement C
21 et C
22 et deux échangeurs E
21, E
22.
[0103] Le cycle fonctionne, par exemple, de la manière suivante: le mélange réfrigérant
sort du compresseur K
22 à une pression, par exemple de 2MPa, et est ensuite refroidi dans le condenseur C
22 par exemple par échange de chaleur avec un fluide extérieur de refroidissement. La
fraction liquide refroidie sortant du condenseur C
22 est envoyée par une conduite 30 vers un premier échangeur E
21 dans lequel elle subit une première étape de sous refroidissement. Au moins une partie
de la fraction liquide refroidie ressort de l'échangeur E
21 par une conduite 19 et est détendue à travers la vanne de détente V
31 avant d'être recyclée vers l'échangeur E
21. Elle est vaporisée à un niveau de pression intermédiaire de préférence compris entre
la pression basse et la pression haute du premier cycle de réfrigération. La fraction
vapeur générée au cours de la vaporisation est évacuée et recyclée par un conduit
34 situé de préférence dans la partie supérieure de l'échangeur E
21 à l'entrée du compresseur K
22. La fraction liquide restante est envoyée dans un deuxième échangeur E
22 par un conduit 31 où elle subit une deuxième étape de refroidissement. Elle est ensuite
détendue à travers la vanne de détente V
32 puis vaporisée à une valeur sensiblement égale à la valeur de pression basse du premier
cyde de réfrigération aux environs de 0,15 MPa. La fraction vapeur obtenue au cours
de la vaporisation est envoyée par un conduit 33 vers un compresseur K
21 situé avant le compresseur K
22. A la sortie du compresseur K
21 la fraction vapeur est refroidie dans le condenseur C
21 à l'aide, par exemple, d'un fluide extérieur de refroidissement disponible puis mélangée
avec la fraction vapeur issue de l'échangeur E
22 par le conduit 34 avant l'entrée du compresseur K
22.
[0104] Cette manière de procéder utilise avantageusement la vaporisation des fractions liquides
sous refroidies respectivement dans les échangeurs E
21 et E
22 pour réaliser une première étape de refroidissement ou refroidissement complémentaire
des fractions vapeurs issues du ballon séparateur S
3, et/ou du gaz naturel sous pression à liquéfier traversant l'échangeur E
21 par le conduit 1 avant d'être envoyé dans l'échangeur final où s'effectue l'opération
finale de liquéfaction E
1 (figure 2).
[0105] Le mélange réfrigérant arrivant en phase vapeur de l'étape de compression est ainsi
pré refroidi en deux étapes et se présente sous forme partiellement condensée avant
d'être envoyé par le conduit 4 vers le séparateur S
1 pour être traité comme il a été décrit précédemment, par exemple à la figure 2.
[0106] Selon une autre variante de procédé schématisée sur la figure 7, les fluides M1 et
M2 obtenus par le procédé décrit en relation avec la figure 2 ne sont pas mélangés
directement après détente.
[0107] Le mélange M1 peut être utilisé, par exemple, pour refroidir le gaz naturel, par
exemple par échange thermique, avant d'être mélangé avec le mélange M2 . Le dispositif
de la figure 8 diffère du mode de réalisation de la figure 2 notamment par l'addition
d'un échangeur E
12 situé de préférence juste après l'échangeur E
1 ayant notamment pour fonction de sous refroidir le mélange M2.
[0108] On procède, par exemple de la manière suivante: le mélange M1 provenant de la turbine
T
1 est envoyé par le conduit 9 vers l'échangeur E
12 dans lequel il refroidit le gaz naturel provenant de l'échangeur E
1 par le conduit 2. Le mélange M1 ressort de l'échangeur E
12 par le conduit 9' et est mélangé avec le mélange M2 sortant de l'échangeur E
1 par le conduit 7 détendu dans la vanne de détente V
1 et renvoyé à l'échangeur E
1 par le conduit 8, pour obtenir le mélange basse température réalisant le refroidissement
du gaz naturel dans l'échangeur E
1 introduit par le conduit 1 et le sous refroidissement de la fraction liquide issue
du séparateur S
1 pénétrant dans l'échangeur E
1 par le conduit 6. Ce mélange, après échange thermique, ressort de l'échangeur E
1 par le conduit 11 de manière identique à la figure 2, pour éventuellement être recyclé
vers le compresseur K
1.
[0109] Une partie de la phase vapeur provenant du séparateur S
1 peut être envoyée par le conduit 5' dans l'échangeur E
1. Sur le schéma de la figure 7 elle est mélangée avec la phase liquidé provenant du
séparateur S
1. Il est également possible de l'envoyer dans l'échangeur E
1 par un circuit indépendant et d'obtenir ainsi une fraction liquide qui peut être
ensuite sous-refroidie, détendue, mélangée avec le mélange M1 provenant de la turbine
T
1 et envoyée avec le mélange M1 à l'échangeur E
12.
[0110] Le mélange réfrigérant utilisé dans ce mode de réalisation comporte, par exemple,
des hydrocarbures dont le nombre d'atomes est, de préférence, compris entre 1 et 5,
tels que le méthane, l'éthane, le propane le butane normal, l'isobutane, le pentane
normal ou l'isopentane. Il comporte de préférence au moins 10% d'azote en fraction
molaire. Cette condition est par exemple respectée en limitant la teneur des constituants
lourds de la fraction vapeur et en contrôlant les conditions de température et de
pression à l'entrée de la turbine.
[0111] La pression du mélange réfrigérant est, de préférence au moins égale à 200 kPa à
l'entrée du premier étage de compression K
1.
[0112] La fraction liquide est par exemple refroidie jusqu'à une température sensiblement
voisine de la température obtenue par le mélange des deux fractions détendues. Cette
fraction liquide étant sous refroidie, de préférence jusqu'à une température inférieure
à sa température de bulle à la pression basse du cycle, sa détente à travers la vanne
n'entraîne pas de vaporisation, ce qui permet notamment de limiter les irréversibilités
mécaniques et d'améliorer les performances du cycle.
[0113] De manière avantageuse, le mélange des fluides M1 et M2 peut être effectué à différents
niveaux de température, correspondant à des stades successifs d'échange thermique
avec le gaz naturel refroidi.
[0114] Un exemple de procédé selon l'invention est décrit à la figure 9 dans laquelle deux
fractions successives issues de la détente de la fraction liquide sont mélangées avec
la fraction issue de la détente de la fraction vapeur en deux étapes.
[0115] L'échangeur E
1 de la figure 2 est remplacé par une succession de deux échangeurs E
13 et E
14.
[0116] On procède par exemple de la manière suivante : le mélange M1 issu de la turbine
T
1 est envoyé par le conduit 9 pour être mélangé avec une première fraction issue de
la détente à travers la vanne V
7 de la fraction liquide sortant sous refroidie de l'échangeur E
14 puis est envoyé vers l'échangeur E
14 dans lequel, il permet de refroidir par exemple le gaz naturel provenant d'un échangeur
E
13 situé avant et évacué après refroidissement par le conduit 2, puis est mélangé avec
une deuxième fraction issue de la détente de la fraction liquide prélevée à la sortie
de l'échangeur E
13 et détendue à travers la vanne V
6 et envoyé vers l'échangeur E
13.
[0117] L'utilisation d'un tel agencement conduit notamment à une réduction de la puissance
frigorifique nécessaire pour sous refroidir la fraction liquide circulant dans un
échangeur et à améliorer ainsi les performances du cycle frigorifique.
[0118] La fraction vapeur provenant de l'étape de refroidissement à l'aide du fluide extérieur
comporte dans cet exemple de réalisation deux étapes de condensation partielle successives
par refroidissement sous pression, la fraction vapeur issue de chacune de ces étapes
étant séparée et envoyée à la suivante, la fraction vapeur issue de la dernière des
étapes de condensation partielle étant détendue au moins partiellement dans une turbine
avec la possibilité de récupérer au moins partiellement une partie de la puissance
mécanique de détente, puis mélangée avec au moins une des fractions liquides, préalablement
détendue en obtenant un mélange à basse température qui est échangé thermiquement
avec le gaz naturel sous pression à liquéfier.
[0119] L'exemple de réalisation de la figure 9 montre l'utilisation de deux étapes de mélange
successives entre les fractions détendues qui peut sans difficultés être étendu à
un nombre d'étages plus important. Le choix du nombre des étages utilisés est notamment
fonction d'une optimisation économique.
[0120] La figure 10 schématise une autre façon de procéder, dans laquelle la condensation
de la fraction vapeur issue de l'étape de refroidissement dans le condenseur C
1 du mélange réfrigérant peut être effectuée en plusieurs étapes avant d'être envoyé
dans le séparateur S
1. Dans ce cas, il est préférable de séparer après chaque étape la fraction liquide
obtenue.
[0121] Le dispositif comporte par exemple deux échangeurs de condensation E
23 et E
24 en liaison l'un et l'autre.
[0122] Il fonctionne par exemple de la manière suivante : le mélange réfrigérant passe du
condenseur C
1 vers le séparateur S
3. A l'issue du séparateur, la fraction vapeur est envoyée par le conduit 17 vers l'échangeur
E
23 d'où elle ressort partiellement condensée par un conduit 24 et le mélange résultant
de la condensation est séparé par un ballon séparateur S
4. La fraction vapeur issue du ballon séparateur par un conduit 25 situé de préférence
en tête de ballon est envoyée dans l'échangeur E
24 dans lequel elle subit une nouvelle étape de condensation partielle et ressort sous
la forme d'un mélange liquide-vapeur par le conduit 4 vers les étapes du procédé décrites
en relation avec la figure 2.
[0123] La fraction liquide issue du séparateur S
4 par un conduit 26 est sous refroidie dans l'échangeur E
24 détendue dans une vanne V
32 jusqu'à une pression aux environs de 200 kPa, elle est mélangée avec la fraction
vapeur recyclée de l'échangeur E
1 par le conduit 11, ce mélange permettant d'assurer la réfrigération requise dans
l'échangeur E
24.
[0124] A la sortie de l'échangeur E
24 il est mélangé avec la fraction liquide sous-refroidie dans l'échangeur E
23 et détendue à travers la vanne de détente V
31 pour former un nouveau mélange permettant d'assurer la réfrigération requise dans
l'échangeur E
23, avant d'être recyclé par le conduit 11 vers le compresseur K
1.
[0125] La fraction vapeur issue de la dernière étape de condensation partielle est envoyée
par le conduit 4 vers le ballon séparateur avant d'être traitée de manière identique
au procédé décrit en relation avec la figure 2 pour obtenir les mélanges M1 et M2
composant le mélange réfrigérant basse température pour liquéfier le gaz naturel.
[0126] Pour des gaz naturel comportant des hydrocarbures plus lourds que le méthane et,
notamment des hydrocarbures pouvant former une fraction gaz de pétrole liquéfié (propane,
butane) ainsi qu'une fraction essence légère (hydrocarbures à au moins cinq atomes
de carbone), ces hydrocarbures peuvent être au moins en partie séparés par condensation
et/ou distillation à l'issue d'une première étape de refroidissement du gaz naturel
sous pression.
[0127] De même, lorsque le gaz naturel comprend de l'azote et/ou de l'hélium, ces constituants
peuvent être au moins en partie séparés par vaporisation et/ou distillation, la vaporisation
provoquant alors un refroidissement complémentaire du gaz naturel refroidi sous pression
à l'état liquide.
[0128] L'exemple numérique suivant montre comment il est possible d'opérer dans un tel cas
d'application. Cet exemple numérique est traité en relation avec la figure 11 qui
correspond, notamment, à la mise en oeuvre des dispositifs décrits sur les figures
4 et 7.
[0129] Le gaz naturel, introduit dans l'échangeur E
2 par le conduit 1, est disponible à 6.5 MPa et contient , par exemple, 88 % mole de
méthane, 4 % mole d'azote et des hydrocarbures plus lourds tels de l'éthane, du propane,
du butane du pentane et de l'hexane. La séparation partielle de ces fractions lourdes
peut être réalisée au cours du pré refroidissement du gaz naturel dans l'échangeur
E
2. Le gaz naturel refroidi à -20 °C dans l'échangeur E
2 alimente par le conduit 40 un dispositif de distillation D
1 comprenant une colonne dont le reflux est assuré par une fraction liquide arrivant
par le conduit 43. Le gaz naturel ainsi rectifié dans la colonne est envoyé par le
conduit 41 dans l'échangeur E
2 dans lequel son refroidissement est poursuivi jusqu'à -80 °C.
[0130] A l'issue de cette première étape de refroidissement dans l'échangeur E
2, le gaz naturel est refroidi successivement dans les deux échangeurs E
11 et E
12 jusqu'à, par exemple, une température de -148 °C. Le refroidissement ultime du gaz
naturel est assuré par le rebouilleur d'une colonne D
2 située après l'échangeur E
12 et sa détente jusqu'à, par exemple, une pression de 0.13 MPa par la turbine T
2. A la sortie de cette turbine T
2, le gaz naturel liquéfié contenant environ 6% de vapeur est introduit en tête de
la colonne D
2, puis évacué en fond de colonne D
2 à une température sensiblement égale à -160 °C par un conduit 46. La fraction légère
riche en azote séparée dans la colonne D
2 est évacuée en tête de colonne par le conduit 44 et entre dans un échangeur E
13 dans lequel elle permet de liquéfier et de sous refroidir au moins une fraction du
gaz naturel qui pénètre dans cet échangeur par un conduit 49, par exemple, et ressort
par un conduit 50 pour être mélangée avec la fraction de gaz naturel sous refroidie
provenant de l'échangeur E
12 par le conduit 2.
[0131] Le fluide réfrigérant utilisé dans cet exemple est constitué, par exemple, d'un mélange
d'azote, de méthane, d'éthane, de propane, de normal butane et de normal pentane.
Les constituants majoritaires sont l'azote et le méthane avec respectivement une teneur
en mole de 30 % et 20 %. A la sortie du compresseur K
1, le mélange réfrigérant est refroidi jusqu'à une température de 35 °C dans le condenseur
C
1, puis envoyé dans le ballon séparateur S
3 à l'issue duquel la fraction vapeur atteint par exemple 60 % en masse.
[0132] Cette fraction vapeur est ensuite partiellement condensée dans l'échangeur E
2.
[0133] La fraction liquide provenant du séparateur S
3 est sous refroidie dans l'échangeur E
2 puis détendue jusqu'à une pression basse, par exemple, de 0.18 MPa dans la vanne
V
3 et mélangée à la fraction légère du réfrigérant provenant de l'échangeur E
11 par le conduit 14. En sortie de l'échangeur E
2, le mélange réfrigérant, en phase vapeur, alimente par le conduit 11, le compresseur
K
1 comportant des échangeurs de refroidissement intermédiaires C
41 et C
42.
[0134] La fraction vapeur partiellement condensée dans l'échangeur E
2 est introduite par le conduit 4 dans le ballon S
1 pour obtenir une fraction plus légère vapeur pénétrant dans la turbine de détente
T
1 par le conduit 5 et une fraction plus lourde liquide envoyée par le conduit 6 pour
être sous refroidie dans l'échangeur E
11. La température du ballon S
1 est , par exemple, de- 80 °C. La détente opérée dans la turbine T
1, par exemple, jusqu'à 0.2 MPa permet de refroidir à -150 °C cette fraction vapeur
qui contient alors 4 % mole de liquide. La fraction liquide plus lourde sous refroidie
dans l'échangeur E
11 est détendue dans la vanne V
1, puis mélangée à basse pression et à une température sensiblement égale à celle de
la fraction vapeur provenant de la turbine T
1. La température du mélange ainsi réalisé avant sa vaporisation à contre courant du
gaz naturel dans l'échangeur E
11 permet de maintenir une approche thermique minimum de 2°C dans cet échangeur.
[0135] Les échanges de chaleur intervenant au cours des étapes de réfrigération sont de
préférence effectués dans des échangeurs de chaleur opérant à contre-courant. Ces
échangeurs de chaleur sont, par exemple, des échangeurs à passes multiples et sont,
de préférence constitués par des échangeurs à plaques. Ces échangeurs à plaques peuvent
être, par exemple, des échangeurs en aluminium brasé. Il est également possible d'utiliser
des échangeurs en acier inoxydable dont les plaques sont soudées entre elles. Les
canaux dans lesquels circulent les fluides participant à l'échange de chaleur peuvent
être obtenus par différents moyens en disposant entre les plaques des plaques intercalaires
ondulées, en utilisant des plaques formées, par exemple par explosion ou en utilisant
des plaques raturées, par exemple par gravure chimique.
[0136] Il est également possible d'utiliser des échangeurs bobinés.
[0137] Différents types de compresseurs peuvent être utilisés pour comprimer le mélange
réfrigérant. Le compresseur peut être par exemple de type centrifuge ou de type axial.
Le mélange réfrigérant est de préférence comprimé en au moins deux étapes entre lesquelles
est effectuée une étape de refroidissement par échange thermique avec le fluide extérieur
de refroidissement, eau ou air, disponible. En augmentant le nombre d'étapes de refroidissement
intermédiaires, il est possible de réduire la puissance de compression et d'améliorer
les performances du cyde et le choix de ce nombre d'étapes doit être effectué en fonction
d'une optimisation technico-économique.
[0138] La détente des fractions liquides sous-refroidies provenant de la condensation partielle
du mélange peut être effectuée comme celà a été montré dans les exemples présentés
précédemment à travers des vannes de détente. Il est également possible de détendre
au moins une desdites fractions à travers une turbine en récupérant la puissance mécanique
de détente. Dans le cas de l'exemple 1, chacune des vannes V
1 et V
3 peut être ainsi remplacée par une turbine.
[0139] De même, le gaz naturel à l'état liquide sous-refroidi sous pression peut être détendu,
comme cela a été montré sur l'exemple 1, au moins en partie dans une turbine, jusqu'à
une pression proche de la pression atmosphérique en produisant le gaz naturel liquéfié
qui est exporté.
[0140] Dans tous les exemples de réalisation donnés ci-dessus, le mélange réfrigérant utilisé
pour effectuer le cycle de liquéfaction d'un gaz naturel sous pression comporte des
hydrocarbures dont le nombre d'atomes est, de préférence compris entre 1 et 5, tels
que le méthane, l'éthane, le propane, le butane normal, l'isobutane, le pentane normal,
l'isopentane. Il comprend, de préférence, une fraction d'azote inférieure à 10 % en
fraction molaire.
[0141] De même, la température du mélange obtenu à partir des fractions liquide et vapeur
détendues est inférieure à la température de bulle de la fraction liquide prise pour
des conditions de pression sensiblement identiques.
[0142] Le sous refroidissement ou refroidissement complémentaire de la fraction liquide
s'effectue de préférence jusqu'à une température sensiblement voisine de la température
obtenue par le mélange des deux fractions liquide et vapeur détendues, ce qui permet
d'éviter notamment sa vaporisation à travers la vanne de détente et limiter ainsi
les irréversibilités mécaniques et améliorer ainsi les performances du cycle de réfrigération.
[0143] Une partie de la fraction vapeur peut être refroidie et condensée, la fraction liquide
ainsi obtenue étant détendue et mélangée avec les fractions M1 et M2 pour former le
mélange à basse température.
[0144] Les variantes de réalisation relatives aux figures 4 à 11 peuvent avantageusement
inclure des dispositifs de séparation tel que celui relatif à la figure 3, où les
simples séparateurs gravitaires sont remplacés par des dispositifs de distillation
permettant une séparation améliorée du mélange réfrigérant.