[0001] La présente invention concerne un procédé de liquéfaction d'un courant d'hydrocarbures
tel que le gaz naturel en particulier dans un procédé pour la production de gaz naturel
liquéfié et de CO
2 liquide.
[0002] Sur des usines de liquéfaction de gaz naturel typiques, des courants réfrigérants
sont utilisés pour produire le froid à différents niveaux d'un échangeur de chaleur
principal en se vaporisant contre le courant d'hydrocarbures à liquéfier (typiquement
le gaz naturel).
[0003] La présente invention concerne en particulier un procédé d'intégration thermique
entre une unité de liquéfaction de gaz naturel et unité de purification/liquéfaction
de CO
2.
[0004] Il est souhaitable de liquéfier le gaz naturel pour un certain nombre de raisons.
A titre d'exemple, le gaz naturel peut être stocké et transporté sur de longues distances
plus facilement à l'état liquide que sous forme gazeuse, car il occupe un volume plus
petit pour une masse donnée et n'a pas besoin d'être stocké à une pression élevée.
[0005] Typiquement, le gaz naturel contient des hydrocarbures et du CO
2 (0,5% à 5% mol environ). Afin d'éviter le gel de ce dernier au cours de la liquéfaction
du gaz naturel, il convient de le retirer. Un moyen permettant de retirer le CO
2 du courant de gaz naturel est par exemple un lavage aux amines situé en amont d'un
cycle de liquéfaction.
[0006] Le lavage aux amines sépare le CO
2 du gaz d'alimentation par un lavage du courant de gaz naturel par une solution d'amines
dans une colonne d'absorption. La solution d'amines enrichie en CO
2 est récupérée en cuve de cette colonne d'absorption et est régénérée à basse pression
dans une colonne de régénération de l'amine distillation (ou stripping en anglais).
[0007] En tête de cette colonne de distillation, un gaz acide riche en CO
2 est rejeté. Ainsi le traitement du courant de gaz naturel par un lavage aux amines.
Ainsi le courant de gaz naturel par un lavage aux amines rejette un flux concentré
en CO
2 « gaz acide », le plus souvent directement émis à l'atmosphère.
[0008] Sur des liquéfacteurs de gaz naturel (50,000 tonnes par an à 10 millions de tonnes
par an), la quantité de CO
2 émis est suffisante (quantité de CO
2 émis pouvant aller jusqu'à 200 tonnes par jour) et il est possible de purifier ce
« gaz acide» riche en CO
2 en CO
2 alimentaire.
[0009] En effet, dans le domaine alimentaire, conformément à la législation en rigueur,
pour pouvoir être commercialisé, le CO
2 produit doit répondre à des spécifications strictes en termes de qualité et de pureté.
Ainsi, par exemple, toute trace d'hydrocarbures ou de dérivés soufrés doit être éliminée
(typiquement teneur inférieure au ppm volumique).
[0010] Cette purification est effectuée grâce à une unité dédiée de purification de CO
2 nécessitant l'installation d'un cycle frigorifique dédié (typiquement un système
de réfrigération fonctionnant à l'ammoniac par exemple).
[0011] La fonction du cycle frigorifique dit « groupe de froid » consiste à apporter le
froid nécessaire au procédé de purification/liquéfaction du CO
2.
[0012] Typiquement une unité standard de CO
2 contient les étapes suivantes :
Etape 1 : Compression du CO2 impur jusqu'à une pression comprise entre 15 et 50 bar abs.
Etape 2 : Purification du CO2 par exemple par des procédés mettant en oeuvre des adsorbants régénératifs, des absorbants
ou de catalyseur pour éliminer toute présence d'eau, de mercure, d'hydrocarbures et
de dérivés soufrés (liste d'impuretés non exhaustive).
Etape 3 : Distillation des incondensables pour séparer en particulier l'oxygène et
l'azote du CO2 produit.
[0013] Ainsi, classiquement dans une unité de purification/liquéfaction de CO
2, il est nécessaire d'apporter du froid à trois niveaux de température :
- 1. Froid vers -20°C/-30°C utilisé pour l'étape 3 décrite au paragraphe précédent.
- 2. Froid vers 5°C utilisé pour l'étape 2.
- 3. Froid à température ambiante pour refroidir le CO2 impur en étape 1.
[0014] Le condenseur de la colonne de distillation mise en oeuvre à l'étape 3 représente
environ 50% du total des besoins en froid. Ce froid peut être apporté via un cycle
frigorifique dédié (typiquement à l'ammoniac ou au propane) couplé éventuellement
d'un système de refroidissement à l'eau.
[0015] Le système de production de frigories représente un coût important de l'unité de
purification et de liquéfaction du CO
2 et ajoute de la complexité de mise en oeuvre sur le site de mise en oeuvre du procédé
ce qui représente une contrainte.
[0016] Une solution existante consiste à dissocier les deux unités (liquéfaction de gaz
naturel et purification de CO
2) ce qui nécessite la mise en place de deux systèmes de production de frigories, un
pour l'unité de liquéfaction de gaz naturel et un pour l'unité de purification de
CO
2.
[0017] Les inventeurs de la présente invention ont alors mis au point une solution permettant
de résoudre le problème soulevé ci-dessus, à savoir minimiser l'investissement dans
un système de production de frigories dans l'unité de purification/liquéfaction de
CO
2 et donc d'optimiser les dépenses d'investissement tout en gardant une efficacité
optimale pour la liquéfaction du gaz naturel dans l'unité de liquéfaction.
[0018] La présente invention a pour objet un procédé de production de gaz naturel liquéfié
et de dioxyde de carbone (CO
2) liquide comprenant au moins les étapes suivantes :
- Etape a) : séparation d'un gaz d'alimentation de gaz naturel, contenant des hydrocarbures
et du dioxyde de carbone dans une unité de traitement, en un courant gazeux enrichi
en CO2 et un courant de gaz naturel appauvri en CO2 ;
- Etape b) : liquéfaction du courant de gaz naturel appauvri en CO2 issu de l'étape a) dans une unité de liquéfaction de gaz naturel comprenant au moins
un échangeur de chaleur principal et un système de production de frigories, ladite
unité de liquéfaction de gaz naturel comprenant au moins un cycle de réfrigération
alimenté par un courant réfrigérant ;
- Etape c) : liquéfaction simultanée du courant gazeux enrichi en CO2 issu de l'étape a) dans une unité de liquéfaction de CO2 ;
caractérisé en ce que le froid nécessaire à la liquéfaction du courant gazeux enrichi
en CO
2 et à la liquéfaction du gaz naturel est fourni par ledit système de production de
frigories de l'unité de liquéfaction de gaz naturel et en ce que tout ou partie du
froid nécessaire à la liquéfaction du courant gazeux enrichi en CO
2 provient d'une partie dudit courant réfrigérant alimentant le cycle de réfrigération
de ladite unité de liquéfaction de gaz naturel. De préférence tout le froid nécessaire
à la liquéfaction du courant gazeux enrichi en CO
2 provient d'une partie dudit courant réfrigérant alimentant le cycle de réfrigération
de ladite unité de liquéfaction de gaz naturel.L'objet de la présente invention est
de coupler thermiquement une unité de liquéfaction d'un gaz riche en hydrocarbures,
typiquement du gaz naturel, avec une unité de purification/liquéfaction de CO
2.
[0019] Par couplage thermique, on entend mise en commun des moyens de production de frigories
pour assurer le bilan thermique des deux unités, typiquement compresseur de cycle
de réfrigération, et éventuellement un système turbine/surpresseur dans le cas de
cycle azote.
[0020] Par système turbine/surpresseur on entend une turbine mécaniquement couplée (via
un arbre commun) à un compresseur mono-étagé. La puissance générée à travers la turbine
étant directement transmise au compresseur mono-étagé.
[0021] Cette intégration thermique se matérialise par la mise en commun toute colonne, échangeur
thermique, unité ou autre agencement adapté (typiquement un échangeur thermique) où
des courants liés au procédé de liquéfaction de gaz naturel et des courants liés au
procédé de purification/liquéfaction du CO
2 échangent thermiquement.
[0022] Le procédé objet de la présente invention permet de se passer du groupe de froid
initialement nécessaire pour liquéfier le CO
2 et de soutirer le froid directement du liquéfacteur de gaz naturel. Cette intégration
thermique permet ainsi de se passer d'un équipement dans l'unité de purification de
CO
2.
[0023] L'intégration proposée permet de fournir du froid aux trois niveaux de température
nécessaires.
[0024] Selon d'autres modes de réalisation, l'invention a aussi pour objet :
- Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le gaz d'alimentation
comprend de 0,1% molaire à 5% molaire de CO2.
- Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le courant gazeux enrichi
en CO2 issu de l'étape a) comprend au moins 95% molaire de CO2.
- Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que préalablement à l'étape
b), le courant de gaz naturel issu de l'étape a) est prétraité dans une unité de prétraitement.
- Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ladite unité de traitement
mise en oeuvre à l'étape a) est une unité de lavage aux amines.
- Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le courant gazeux enrichi
en CO2 issu de l'étape a) est purifié préalablement à l'étape c), le froid nécessaire à
cette purification étant fourni par ledit système de production de frigories de l'unité
de liquéfaction de gaz naturel.
- Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le courant enrichi en
CO2 ainsi purifié comprend au moins 99,5% molaire de CO2.
- Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ledit système de production
de frigories comprend au moins un compresseur et éventuellement un système turbine-surpresseur.
- Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le courant réfrigérant
alimentant ledit au moins un cycle de réfrigération de ladite unité de liquéfaction
de gaz naturel contient au moins un des constituants choisis parmi l'azote, le méthane,
l'éthylène, l'éthane, le propane, l'ammoniac, le butane et le pentane.
[0025] La présente invention a aussi pour objet un dispositif de production de gaz naturel
liquéfié et de CO
2 liquéfié comprenant une unité de traitement d'un gaz d'alimentation, produisant au
moins un courant gazeux enrichi en CO
2 et un courant de gaz naturel appauvri en CO
2, et une unité de liquéfaction de gaz naturel, ladite unité de liquéfaction de gaz
naturel comprenant au moins un échangeur de chaleur principal et un système de production
de frigories caractérisé en ce que le système de production de frigories est apte
à et conçu pour liquéfier à la fois le courant enrichi en CO
2 issu de l'unité de traitement et le courant de gaz naturel appauvri en CO
2 circulant dans l'unité de liquéfaction de gaz naturel, ladite unité de liquéfaction
de gaz naturel comprenant au moins un cycle de réfrigération alimenté par un courant
réfrigérant issu de l'échangeur principal.
[0026] Selon d'autres modes de réalisations la présente invention a également pour objet
:
- Un dispositif tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ledit système de
production de frigories comprend au moins un compresseur et éventuellement un système
turbine-surpresseur.
- Un dispositif tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ledit système de
production de frigories comprend un cycle frigorifique, comportant un compresseur
entraîné par un moteur thermique, un circuit de circulation d'un fluide réfrigérant.
- Un dispositif tel que défini précédemment, caractérisé en ce qu'il comprend une unité
de purification et de liquéfaction de gaz enrichi en CO2 comprenant au moins un moyen de compression, un moyen de purification et au moins
une colonne de distillation, caractérisé en ce que ledit dispositif est conçu tel
que le froid nécessaire pour la mise en oeuvre de l'unité de purification et de liquéfaction
de gaz enrichi en CO2 provient du courant réfrigérant alimentant le cycle de réfrigération de la dite unité
de liquéfaction de gaz naturel.
[0027] Le besoin frigorifique d'une unité de liquéfaction de gaz naturel étant généralement
plus important que le besoin frigorifique d'une unité de purification/liquéfaction
de CO
2, il est pertinent de profiter de la capacité disponible des machines (compresseurs
et/ou turbine/surpresseurs) de l'unité de liquéfaction de gaz naturel pour assurer
en totalité ou au moins partiellement le besoin frigorifique de l'unité de purification/liquéfaction
de CO
2 et notamment limiter l'investissement en machinerie de l'unité de purification/liquéfaction
de CO
2.
[0028] En particulier, l'investissement incrémental pour augmenter la capacité de liquéfaction
d'un liquéfacteur d'hydrocarbures est bien inférieur à l'investissement incrémental
pour augmenter la capacité de production liquide d'une unité de purification/liquéfaction
de CO
2.
[0029] En outre, d'autres étapes de traitement intermédiaires entre la séparation courant
hydrocarbures/CO
2 et la liquéfaction des hydrocarbures peuvent être réalisées. Le courant d'hydrocarbures
à liquéfier est généralement un flux de gaz naturel obtenu à partir de champs de gaz
naturel, des réservoirs de pétrole ou d'un réseau de gaz domestique distribué via
des pipelines.
[0030] Habituellement, le flux de gaz naturel est composé essentiellement de méthane. De
préférence, le courant d'alimentation comprend au moins 80% mol de méthane. En fonction
de la source, le gaz naturel contient des quantités d'hydrocarbures plus lourds que
le méthane, tels que par exemple l'éthane, le propane, le butane et le pentane ainsi
que certains hydrocarbures aromatiques. Le flux de gaz naturel contient également
des produits non-hydrocarbures tels que H
2O, N
2, CO
2, H
2S et d'autres composés soufrés, le mercure et autres.
[0031] Le flux d'alimentation contenant le gaz naturel est donc prétraité avant d'être l'introduit
dans l'échangeur de chaleur.
[0032] Ce prétraitement comprend la réduction et/ou l'élimination des composants indésirables
tels que le CO
2 et le H
2S, ou d'autres étapes telles que le pré-refroidissement et/ou la mise sous pression.
Etant donné que ces mesures sont bien connues de l'homme de l'art, elles ne sont pas
davantage détaillées ici.
[0033] Dans le procédé objet de la présente invention, il est essentiel de prétraiter le
courant de gaz naturel afin d'extraire un courant enrichi en CO
2 qui sera lui-même liquéfié grâce au système de production de frigories de l'unité
de liquéfaction du gaz naturel.
[0034] L'expression "gaz naturel" telle qu'utilisée dans la présente demande se rapporte
à toute composition contenant des hydrocarbures dont au moins du méthane. Cela comprend
une composition « brute » (préalablement à tout traitement ou lavage), ainsi que toute
composition ayant été partiellement, substantiellement ou entièrement traitée pour
la réduction et/ou élimination d'un ou plusieurs composés, y compris, mais sans s'y
limiter, le soufre, le dioxyde de carbone, l'eau, le mercure et certains hydrocarbures
lourds et aromatiques.
[0035] L'échangeur de chaleur peut être tout échangeur thermique, toute unité ou autre agencement
adapté pour permettre le passage d'un certain nombre de flux, et ainsi permettre un
échange de chaleur direct ou indirect entre une ou plusieurs lignes de fluide réfrigérant,
et un ou plusieurs flux d'alimentation.
[0036] L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant à la figure qui
illustre le schéma d'un mode de réalisation particulier d'une mise en oeuvre d'un
procédé selon l'invention.
[0037] Sur la figure, un flux d'alimentation de gaz naturel 1 (débit considéré 500,000 tonnes
par an soit environ 60 tonnes par heures) contenant du CO
2 est introduit dans une unité de traitement 2 dans laquelle ledit flux 1 est séparé
en au moins deux courants gazeux 3 et 4. Le flux d'alimentation de gaz naturel 1 contient
par exemple de 0,1 à 5% molaire de CO
2.
[0038] Le premier courant 3 est un courant de gaz naturel appauvri en CO
2. Le deuxième courant 4 est un courant enrichi en CO
2.
[0039] L'unité de traitement 2 est une unité qui sépare le CO
2 du courant de gaz naturel par exemple une unité d'absorption chimique, en particulier
une unité de lavage aux amines (type MDEA, MEA, ...) qui permet de produire du CO
2 pur (ou concentré) à basse pression (typiquement légèrement supérieur à la pression
atmosphérique). Par CO
2 pur on entend un courant contenant plus de 95% molaire de CO
2 sur une base sèche.
[0040] Après d'éventuelles étapes de pré-traitement pour éliminer toutes traces de mercure,
d'eau ou de dérivés soufrés par exemple(pré-traitement dans l'unité 7), le courant
de gaz naturel 3 appauvri en CO
2 est introduit dans l'échangeur principal 8 d'une unité de liquéfaction de gaz naturel
5 afin d'être liquéfié.
[0041] La pression de ce courant gazeux est par exemple comprise entre 25 et 60 bar absolus.
Typiquement, le courant gazeux 3 contient entre 30 ppm en volume et 500 ppm en volume
de benzène, usuellement moins de 100 ppm en volume. Le courant gazeux 3 est refroidi
par échange thermique dans l'échangeur de chaleur 8 au contact d'un réfrigérant. L'échangeur
de chaleur 8 est alimenté par au moins un courant de réfrigérant 8.
[0042] Par exemple, ce courant peut être composé d'un courant de réfrigérant mixte ou d'azote
qui fournit le froid nécessaire à la liquéfaction du courant de gaz naturel. Le courant
de réfrigérant est envoyé dans l'échangeur à haute pression (typiquement de 30 à 60
bars) et renvoyé à basse pression (de 1 à 10 bar). L'énergie de recompression nécessaire
au fonctionnement du cycle frigorifique est assurée par un compresseur de cycle (éventuellement
complété par un système turbine/surpresseur dans le cadre d'un cycle azote)
[0043] Le courant de gaz naturel 3 appauvri en CO
2 introduit dans l'échangeur principal 8 d'une unité de liquéfaction de gaz naturel
5 est par exemple liquéfié selon le procédé décrit dans les lignes suivantes.
[0044] Le courant de gaz naturel refroidi à une température comprise entre - 20°C et -70°C,
typiquement comprise entre -35°C et -40°C en sortie d'échangeur 8 est introduit dans
une unité 11 de séparation des hydrocarbures lourds du courant de gaz naturel, par
exemple une colonne de lavage dans laquelle les produits lourds 10 sont séparés du
gaz naturel. Par produits lourds on entend les hydrocarbures ayant plus de quatre
atomes de carbone et les composés aromatiques dont notamment le benzène.
[0045] Un courant liquide 10 contenant tous les hydrocarbures que l'on souhaite extraire
du courant de gaz naturel, tel que le benzène, (du courant gazeux initial 1 est évacué
en cuve de colonne lavage.
[0046] En tête de colonne, un courant gazeux ne présentant plus de risque de gel dû à la
présence d'hydrocarbures lourds ou de dérivés aromatiques (comprenant typiquement
moins de 1 ppm en volume de benzène) est récupéré pour être introduit dans une deuxième
section de l'échangeur de chaleur 8. Par échange thermique il est refroidi à la température
souhaitée (typiquement -160°C) pour être envoyé vers un moyen de stockage de gaz naturel
liquéfié 14.
[0047] Le courant de réfrigérant mixte récupéré en sortie de l'échangeur de chaleur 8 est
introduit dans un pot séparateur de phases produisant un courant gazeux contenant
les éléments légers du réfrigérant en tête de pot et un courant liquide 13 contenant
les éléments lourds du réfrigérant en cuve de pot. Le courant réfrigérant circule
en cycle fermé dans l'échangeur de chaleur 8 afin d'apporter le froid nécessaire pour
liquéfier ledit courant 3 de gaz naturel.
[0048] En particulier, le cycle de liquéfaction 9 met en oeuvre un réfrigérant pouvant être
un mélange de réfrigérants choisis parmi typiquement l'azote, le méthane, l'éthane,
l'éthylène, le propane, le butane, le pentane. Il peut s'agir d'un cycle basé sur
un cycle frigorifique constitué d'un réfrigérant ou d'un mélange de plusieurs réfrigérants.
[0049] Un courant de réfrigérant est introduit dans le système 9 de production de frigories
de l'unité de liquéfaction 5 via un compresseur (et éventuellement un via système
compresseur/surpresseur).
[0050] Le deuxième courant gazeux 4 enrichi en CO
2 issu de l'unité de traitement 2 est comprimé à moyenne pression (typiquement 25 Bar
abs), refroidi, purifié (élimination de toute trace d'H
2O Hydrocarbures, dérivés soufrés en particulier) puis renvoyé dans une colonne de
distillation (colonne de stripping) qui sépare les incondensables en tête du CO
2 liquide concentré 15 récupéré en cuve.
[0051] Pour assurer le froid nécessaire au bon fonctionnement de l'unité de purification/liquéfaction
6, Une partie du courant liquide 13 contenant les éléments lourds du réfrigérant est
extraite et est envoyée en circulation entre l'unité de purification/liquéfaction
de CO
2 6 et l'unité de liquéfaction de gaz naturel 5. Ainsi grâce à cette intégration thermique,
on évite un cycle frigorigène dédié à l'unité 6 de purification/liquéfaction de CO
2 en augmentant la puissance du cycle dédié à la liquéfaction du gaz naturel (typiquement
de l'ordre de 5%).
1. Procédé de production de gaz naturel liquéfié (14) et de dioxyde de carbone (CO
2) liquide (15) comprenant au moins les étapes suivantes :
- Etape a): séparation d'un gaz d'alimentation de gaz naturel (1), contenant des hydrocarbures
et du dioxyde de carbone dans une unité de traitement (2), en un courant gazeux enrichi
en CO2 (4) et un courant de gaz naturel appauvri en CO2 (3) ;
- Etape b) : liquéfaction du courant de gaz naturel appauvri en CO2 (3) issu de l'étape a) dans une unité de liquéfaction (5) de gaz naturel comprenant
au moins un échangeur de chaleur principal (8) et un système de production de frigories
(9), ladite unité de liquéfaction de gaz naturel (5) comprenant au moins un cycle
de réfrigération alimenté par un courant réfrigérant ;
- Etape c) : liquéfaction simultanée du courant gazeux enrichi en CO2 (4) issu de l'étape a) dans une unité de liquéfaction de CO2 (6) ;
caractérisé en ce que le froid nécessaire à la liquéfaction du courant gazeux enrichi en CO
2 (4) et à la liquéfaction du gaz naturel est fourni par ledit système (9) de production
de frigories de l'unité (5) de liquéfaction de gaz naturel et
en ce que le froid nécessaire à la liquéfaction du courant (4) gazeux enrichi en CO
2 provient d'une partie (13) dudit courant réfrigérant alimentant le cycle de réfrigération
de ladite unité de liquéfaction de gaz naturel (5) ; et
caractérisé en ce que le gaz d'alimentation (1) comprend de 0,1% molaire à 5% molaire de CO
2.
2. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant gazeux (4) enrichi en CO2 issu de l'étape a) comprend au moins 95% molaire de CO2.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que préalablement à l'étape b), le courant (3) de gaz naturel issu de l'étape a) est
prétraité dans une unité de prétraitement (7).
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite unité de traitement (2) mise en oeuvre à l'étape a) est une unité de lavage
aux amines.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant gazeux (4) enrichi en CO2 issu de l'étape a) est purifié préalablement à l'étape c), le froid nécessaire à
cette purification étant fourni par ledit système de production de frigories de l'unité
de liquéfaction (5) de gaz naturel.
6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le courant enrichi en CO2 ainsi purifié comprend au moins 99,5% molaire de CO2.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit système de production de frigories comprend au moins un compresseur et éventuellement
un système turbine-surpresseur.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant réfrigérant (13) alimentant ledit au moins un cycle de réfrigération de
ladite unité de liquéfaction de gaz naturel (5) contient au moins un des constituants
choisis parmi l'azote, le méthane, l'éthylène, l'éthane, le propane, l'ammoniac, le
butane et le pentane.