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WO1996011370A1 - Procede et installation de liquefaction du gaz naturel - Google Patents

Procede et installation de liquefaction du gaz naturel Download PDF

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WO1996011370A1
WO1996011370A1 PCT/FR1995/001281 FR9501281W WO9611370A1 WO 1996011370 A1 WO1996011370 A1 WO 1996011370A1 FR 9501281 W FR9501281 W FR 9501281W WO 9611370 A1 WO9611370 A1 WO 9611370A1
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WO
WIPO (PCT)
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mixture
natural gas
fraction
liquid
vapor
Prior art date
Application number
PCT/FR1995/001281
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English (en)
Inventor
Isabelle Prevost
Alexandre Rojey
Original Assignee
Institut Français Du Petrole
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to JP51237496A priority Critical patent/JP3965444B2/ja
Priority to US08/652,527 priority patent/US5701761A/en
Priority to CA002177599A priority patent/CA2177599C/fr
Priority to AU36118/95A priority patent/AU701090B2/en
Priority to EP95933471A priority patent/EP0731900B1/fr
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    • F25J2220/60—Separating impurities from natural gas, e.g. mercury, cyclic hydrocarbons
    • F25J2220/64—Separating heavy hydrocarbons, e.g. NGL, LPG, C4+ hydrocarbons or heavy condensates in general

Definitions

  • Liquefaction of natural gas is an important industrial operation which makes it possible to transport natural gas over long distances by LNG carrier, or to store it in liquid form.
  • Natural gas we mean thereafter a mixture formed mainly of methane but which may also contain other hydrocarbons and nitrogen, in whatever form it is found (gas, liquid or two-phase). Natural gas at the outset is predominantly in a gaseous form, and has pressure and temperature values such that during the liquefaction stage, it can be presented in different forms, for example liquid and gaseous coexisting at a instant.
  • an external refrigeration cycle using a mixture of fluids as the refrigerant is used.
  • a vaporizing mixture is likely to refrigerate and liquefy natural gas under pressure. After vaporization, the mixture is compressed, condensed by exchanging heat with an ambient medium such as water or air.
  • the vapor fraction from the separator is liquefied by an incorporated cascade effect, the refrigeration of natural gas as well as the refrigeration necessary to ensure the successive stages of condensation of the vapor fraction ensured by vaporization of the increasingly light liquid fractions resulting from each of the stages of partial condensation of the refrigerant mixture.
  • the prior art also describes methods operating by compression and expansion of a permanent gas such as nitrogen. These methods have the particular advantage of being simple in design. However, their performance is limited and, as a result, they are ill-suited to the production of industrial liquefaction units for natural gas.
  • the vapor fraction is not fully condensed but only partially condensed so as to be present at the lowest temperature of the cycle in the form of a mixture comprising a vapor fraction and a liquid fraction in variable proportion.
  • the invention relates to a process for liquefying a natural gas under pressure comprising at least one refrigeration cycle using a mixture of refrigerant fluids during which at least the following steps are carried out: a) at least condensing partly said cooling mixture by compressing and cooling it for example using an external cooling fluid, to obtain at least a vapor fraction and a liquid fraction, b) each of said fractions is expanded at least partially vapor and liquid to obtain respectively a light fluid Ml composed mainly of a vapor phase and a heavy fluid M2 composed mainly of a liquid phase, c) mixing the fluids Ml and M2 to obtain a mixture at low temperature, the mixture being formed before being heat exchanged with natural gas, and d) liquefying and sub-cooling the natural gas under pressure by heat exchange with the low mixture temperature obtained during step c).
  • the refrigerant mixture can be sent to a distillation section, to obtain an Ml fraction enriched in light component (s) and an M2 fraction enriched in heavy component (s) (s).
  • the vapor fraction can be expanded during step b) using a turbine and it is thus possible to recover at least part of the mechanical energy.
  • the refrigerant mixture resulting from heat exchange with natural gas during step d) can be recycled to the compression step a) of the refrigerant mixture.
  • At least one additional cooling step of the mixture M2 is carried out, for example, before mixing it with the mixture Ml.
  • the mixture M1 resulting from the expansion of the vapor fraction originating from the partial condensation of the refrigerant mixture is, for example, thermally exchanged with natural gas before being mixed with the fraction resulting from the expansion of the sub-cooled liquid fraction, from the partial condensation of the refrigerant mixture.
  • the refrigerant mixture can also be compressed in at least two stages between which a heat exchange cooling step is carried out, for example with an external cooling fluid, water or air available.
  • At least one step of additional cooling of the refrigerant mixture and / or of a liquid fraction and / or of a vapor fraction resulting from the partial condensation of the mixture is carried out at the end of a step of cooling to using, for example, an external coolant.
  • the liquid fraction resulting from the partial condensation of the mixture is, for example, under cooled, before being expanded, by heat exchange with the low temperature mixture resulting from the mixture of the expanded fractions.
  • the liquid fraction is sub-cooled, for example, to a temperature preferably below its bubble temperature at the low pressure of the cycle.
  • Another way of proceeding consists in sub-cooling, expanding and mixing the liquid fraction at different temperature levels corresponding to successive stages of heat exchange with the cooled natural gas.
  • the liquid fraction is sub-cooled, expanded and vaporized so as to provide the step of additional cooling of the vapor fraction of the mixture resulting from the compression step and cooling using the external cooling fluid, water or air available, as well as a first step of cooling the natural gas under pressure, the expanded fraction coming from the recycling of the vapor fraction being compressed to for example a level of intermediate pressure between the low pressure and the high pressure of the cycle and mixed with the fraction originating from the vaporization of the liquid fraction, said fraction being previously compressed to said intermediate pressure, the resulting mixture being compressed to the high pressure of cycle.
  • the vapor fraction can undergo at least two successive partial condensation stages by cooling under pressure, the vapor fraction from each of these stages being separated and sent to the next, the vapor fraction from the last partial condensation stage being expanded at least partially in a turbine, for example by recovering, preferably, at least part of the mechanical expansion power and then mixed with at least one of the liquid fractions, previously expanded by obtaining a mixture at low temperature which is heat exchanged with natural gas under pressure.
  • a fluid comprising nitrogen and hydrocarbons having a number of carbon atoms between 1 and 5 and preferably at least 10% nitrogen in molar fraction can be used as the refrigerating mixture.
  • the refrigerant mixture used in the process has, for example, a pressure equal to at least 200 kPa at the suction of a compressor during step a).
  • the mixture Ml comprises for example less than 10% of liquid fraction in molar fraction.
  • natural gas contains hydrocarbons other than methane
  • these hydrocarbons can be separated at least in part by condensation and / or distillation, for example at the end of a first step of cooling the natural gas under pressure.
  • Natural gas in the liquid state sub-cooled under pressure is, for example, expanded at least in part in a turbine to a pressure close to atmospheric pressure, producing liquefied natural gas which is then exported.
  • the present invention also relates to an installation for cooling a fluid, in particular for liquefying a natural gas using a refrigerant mixture. It is characterized in that it comprises a first device for condensing the refrigerant mixture comprising at least one compressor Ki and one condenser Ci, a device Si making it possible to separate the vapor fraction and the liquid fraction coming from the first condensing device, devices Ti and Vi making it possible to relax the separate liquid and vapor fractions respectively and at least one device E, such as an exchanger in which the mixture of the expanded liquid and vapor fractions is brought into thermal contact with the fluid to be cooled, such as natural gas to liquefy.
  • the expansion device Ti of the vapor fraction and / or the expansion device V is a turbine, so as to recover at least part of the mechanical energy.
  • the installation comprises a device for cooling the expanded liquid and / or vapor fractions, natural gas or the refrigerant mixture.
  • the present invention offers many advantages over the methods usually used in the prior art.
  • Partial condensation of the vapor fraction followed by simple expansion represents a simpler and more economical method than that which consists in achieving total cooling leading to total liquefaction of the vapor fraction.
  • the liquid and vapor fractions from a first stage of condensation of the refrigerant mixture are expanded separately and mixed after expansion to obtain a refrigerant mixture known as a low temperature mixture which makes it possible to lower the vaporization temperature of the liquid fraction.
  • a turbine allows mechanical power to be recovered.
  • FIG. 1 shows diagrammatically an example of a refrigeration cycle as described in the prior art comprising a pre-refrigeration cycle
  • FIG. 2 represents a block diagram of the liquefaction cycle of a natural gas according to the invention where the refrigerant mixture is obtained by refrigeration and condensation,
  • FIG. 3 shows another exemplary embodiment where the mixture is obtained from fluids originating from a distillation operation
  • FIGS. 4, 5, 6 and 7 show alternative embodiments comprising a step of additional cooling of at least one of the fluids used in the process
  • FIGS. 8 and 9 show diagrams of embodiments in which the expanded vapor fraction is cooled before being mixed with the expanded liquid fraction
  • FIG. 10 shows an exemplary embodiment where the partial condensation of the vapor fraction takes place in several stages
  • FIG. 11 shows schematically an implementation of the method according to the invention.
  • FIG. 1 The block diagram used in the prior art for liquefying a natural gas is briefly recalled in FIG. 1.
  • the liquefaction process involves a pre-refrigeration cycle which condenses the mixture used in the main refrigeration cycle. These two cycles use a mixture of fluid as refrigerant which, when vaporized, liquefies natural gas under pressure. After vaporization, the mixture is compressed, condensed by exchanging heat with the ambient medium, such as water or air, available and in most cases recycled to participate in a new liquefaction stage.
  • the principle implemented in the invention described below consists in cooling a fluid and in particular in liquefying and sub-cooling a natural gas under pressure, for example, by cooling the vapor fraction resulting from a first stage of condensation d a refrigerant mixture by simple expansion and by mixing this partially condensed vapor fraction with a liquid fraction, originating from the first stage of condensation, expanded to obtain a refrigerant mixture at low temperature.
  • This mixture performs during a heat exchange, for example the liquefaction and the sub-cooling of a natural gas under pressure.
  • the pressurized natural gas to be liquefied arrives in an exchanger Ei via a pipe 1 and leaves this exchanger after liquefaction by a pipe 2.
  • the refrigerant mixture used during the process is first compressed in a compressor Ki, then sent via a line 3 to a condenser C in which it is cooled and at least partially condensed, for example by means of an external fluid of cooling, such as water or air.
  • the two-phase mixture obtained after condensation is sent via a line 4 into a Si separator flask.
  • the vapor fraction is evacuated, for example, through a line 5 preferably located in the upper part of the Si separator and sent to an expansion device, such as a turbine T]. This expansion causes the vapor fraction to cool down to a temperature, preferably substantially close to the temperature of the final liquefied natural gas produced, for example at a temperature close to 115K.
  • the expanded and cooled vapor fraction is in the form of a fluid Ml said light fluid comprising mainly a vapor phase, sent in a conduit 9 to be mixed with the liquid fraction in the manner described below.
  • the mechanical expansion power can advantageously be recovered to at least partially drive the compressor Ki.
  • the liquid fraction leaves the separator Si through a conduit 6 located for example in the lower part of the separator S and connected to the exchanger E].
  • This liquid fraction is under cooled in the exchanger E], from which it emerges through a conduit 7 then it is expanded through an expansion valve Vi and sent after expansion through a conduit 8.
  • the expanded liquid fraction is present under the form of a fluid M2 composed mainly of liquid phase or heavy fluid which is discharged through a conduit 8.
  • the fluid M1 coming from the pipe 9 is mixed with the fluid M2 coming from the pipe 8 to form a low temperature refrigerant mixture, the temperature of which is close to the final temperature of the liquefied natural gas produced.
  • the temperature of this mixture is below the bubble temperature of the liquid fraction M2 for an identical pressure.
  • the low temperature refrigerant mixture is sent to the exchanger Ei in which it is used to refrigerate the natural gas under pressure, by heat exchange as well as to sub-cool the liquid fraction before expansion.
  • the refrigerant mixture remains at least partially in the vapor state throughout the cycle.
  • it remains possible to fully condense part of the vapor fraction for example by sending part of the vapor fraction to the exchanger Ei via the conduit 5 ′ as shown in the diagram in FIG. 2.
  • the proportion of vapor fraction which is sent to the exchanger can be controlled for example by a flow-controlled valve.
  • the liquid fraction within the mixture is vaporized and the resulting vapor mixture is for example recycled to the compressor Ki by a conduit 11.
  • the cooling temperature of natural gas and, optionally, of any fraction liquid or vapor passing through the exchanger Ei takes place, for example, up to a temperature substantially close to the temperature obtained by mixing the two fluids Ml and M2.
  • the natural gas leaves liquefied under pressure from the exchanger Ei via the pipe 2 is expanded through an expansion valve V2, for example to a pressure value substantially close to atmospheric pressure, then evacuated to a storage place. and / or shipping, for example.
  • the resulting mixture after heat exchange in the exchanger Ei is evacuated then recycled by a pipe 11 to the compressor Ki. It is, for example, compressed then cooled by heat exchange with the external cooling fluid, water or air available.
  • the refrigerant mixture at low temperature can also be used to sub-cool the liquid fraction coming from the separator flask Si, the latter then being cooled to a temperature below its bubble temperature to a value of the pressure substantially equal to the low pressure of the cycle. Under such conditions, its expansion through the expansion valve does not cause vaporization, which makes it possible to limit mechanical irreversibilities and improve the performance of the refrigeration cycle.
  • Part of the vapor fraction can nevertheless be cooled and condensed, according to the various methods known in the prior art, the liquid fraction thus obtained being expanded and mixed with the fractions Ml and M2 to form the mixture at low temperature which, by exchange thermal, liquefies and sub-cools natural gas under pressure.
  • One of the ways of implementing the process according to the invention therefore consists in proceeding, for example, according to the following steps: a) said cooling mixture is condensed at least in part by compressing and cooling it, in order to obtain at least a vapor fraction and a liquid fraction, b) each of said vapor and liquid fractions is at least partly expanded separately to obtain a light fluid Ml composed mainly of a vapor phase and a heavy fluid M2 composed mainly of liquid phase, c) mixing at least in part the fluids Ml and M2 to obtain a mixture at low temperature, and d) the natural gas is liquefied and sub-cooled under pressure by heat exchange with the mixture at low temperature obtained during step c) , the liquid fraction being vaporized during the heat exchange and the vapor mixture resulting from the heat exchange being recycled, for example to the compressor.
  • the fluids Ml and M2 are obtained by simple refrigeration and partial condensation of an initial mixture, the two phases obtained being separated by gravity.
  • FIG. 3 describes a preferred embodiment of the method according to the invention in which the refrigerant mixture is formed for example from two fluids obtained by a fractionation stage which is more advanced than the stage described in FIG. 2, for example a stage distillation.
  • a light fluid Ml is obtained enriched with light constituents, making it possible to obtain, after mixing the relaxed fluids Ml and M2, a temperature at the start of vaporization of the fluid Ml significantly lower than the bubble temperature it would have in the absence of the fluid M2.
  • the refrigerant mixture in the vapor phase under pressure enters via the conduit 61 in the exchanger E61 in which it undergoes a first refrigeration step at the same time as the natural gas which enters the conduit 69 and leaves via the conduit 70.
  • the refrigerant mixture partially condensed leaves the exchanger E61 via the conduit 62. It is then sent to the distillation section D60. At the outlet of this distillation section, the fluid is collected light Ml through the conduit 63 and the heavy fluid M2 through the conduit 65.
  • the fluid M2 is sub-cooled in the exchanger E62 from which it emerges through the conduit 66 then is expanded through the expansion valve V61.
  • the fluid M1 is expanded and cooled by expansion through the turbine T60 from which it emerges through the pipe 64.
  • the refrigerant enters the exchanger E61 through the conduit 61 at a temperature of + 40 ° and at a pressure of 40 bar abs.
  • the material balance for a 200 mol / h feed is, for example, as follows: the distillate flow rate is substantially 100 mol / h and the residue flow rate is 100 mol / h.
  • the gaseous distillate Ml issuing through line 63 is expanded through an expansion turbine T60 to a pressure of 3 bar.
  • the outlet temperature is -140 ° C and the liquid fraction is 0%.
  • This fluid Ml is sent from the turbine to the exchanger E62 by the conduit 64.
  • the liquid residue M2 resulting from the distillation by the conduit 65 is introduced into the exchanger E62, from which it emerges through the conduit 66 at a temperature from -85 ° C. It is expanded through the valve V61 to a pressure of 3 bar so as to obtain a fluid M2 having a temperature for example substantially equal to -140 ° C. by isenthalpic expansion, which is discharged through line 67.
  • the two expanded fluids M1 and M2 are then mixed in the conduit 68 connected to the two conduits 64 and 67, to form a low temperature refrigerant mixture making it possible to carry out step a) of the liquefaction process.
  • the heavy fractions of the heavier fluid vaporize on contact with the light fractions of the lighter fluid; this vaporization generates a lowering of temperature.
  • the mixture obtained from the expanded fluids M1 and M2 is at a temperature of -151 ° C in the conduit 68, which corresponds to a lowering of temperature of 11 ° C.
  • This low temperature mixture is used, for example, to ensure the liquefaction and the final sub-cooling of the natural gas in the exchanger E62 and its pre-cooling in the exchanger E61 according to the steps described below.
  • the natural gas to be liquefied enters, for example, via line 69 into the exchanger E61 at a temperature of 40 ° C., and is cooled using the refrigerant mixture coming from the exchanger E62 to a temperature of about -36 ° C. It is then sent via line 70 into the fractionation device S60, in which it is purified from the heaviest fractions.
  • the light fraction composed mainly of methane and / or nitrogen and / or ethane enters through the conduit 71 in the exchanger E62.
  • this light fraction is condensed and cooled to a temperature of -148 ° C using the low temperature refrigerant mixture which penetrates through line 68 with a temperature of -151 ° C circulates at against the current of the light fraction and comes out of the exchanger at a temperature substantially equal to -40 ° C by the conduit 74.
  • the condensed and cooled light fraction leaves in liquid phase via the conduit 72 and is then expanded through the valve V62 to a pressure slightly higher than atmospheric pressure, which corresponds to a temperature of -160 ° C.
  • the product obtained is liquefied natural gas (LNG) discharged through line 73.
  • the refrigerant mixture leaving the exchanger via the conduit 74 at a temperature of -40 ° C. is sent to the exchanger E61 where it ensures, for example, the precooling of natural gas as described above. It comes out of this exchanger through line 75 at a temperature of 35 ° C to be, for example, recompressed, then cooled to room temperature before being recycled into the exchanger E61 through line 61.
  • FIGS. 4 to 7 below describe variants of treatment of the liquid and vapor fractions from the condenser Ci, as well as natural gas comprising for example an additional cooling step carried out on the mixture or one of the liquid or vapor fractions after a cooling step, for example performed with an external fluid or on natural gas.
  • a preferred version of the process according to the invention described in connection with FIG. 3 consists in continuing the condensation of at least part of the refrigerant mixture, up to a temperature below the temperature of the external cooling fluid, air or water.
  • the refrigerant mixture is sent through a conduit 12 from the condenser Ci to an additional exchanger E2 in which it is cooled.
  • the refrigerant mixture thus cooled is sent to the separating flask Si via the conduit 4 to then be treated in the manner described above with FIG. 2.
  • This additional cooling step can be carried out at least in part by heat exchange with the recycled refrigerant mixture of the exchanger Ei, coming from the conduit 11 which passes through the two exchangers Ei and E2, for example.
  • the additional exchanger E2 makes it possible for example to cool the natural gas under pressure during a first cooling step before to be sent through a conduit 13 to the exchanger Ei where it undergoes a second cooling step. Natural gas leaves the exchanger Ei in liquid form under pressure before being expanded through the valve V * 2 and discharged.
  • additional refrigeration can be ensured by heat exchange, using a refrigerant entering the exchanger E2 by a conduit 15 and leaving the exchanger by a conduit 16.
  • Figure 4 shows schematically a first embodiment in which, the fluid passing through the exchanger E2 comes from the vaporization of at least one liquid fraction of the refrigerant mixture.
  • the at least partially condensed refrigerant mixture is sent from the condenser Ci to a separator tank S3. At the end of this separation, the vapor fraction is sent through a conduit 17, for example to the exchanger
  • the liquid fraction is drawn off from the tank S3 by a conduit 18 and sent to the exchanger E2 from which it emerges sub-cooled by a conduit 19.
  • This sub-cooled liquid fraction is expanded through an expansion valve V3, and returned by a conduit 20 to the exchanger E2.
  • the expanded liquid fraction is mixed with the recycled vapor mixture coming from the exchanger Ei, the assembly then being recycled to the exchanger E2.
  • Such a mixture makes it possible to sub-cool the liquid fraction, to cool the vapor fraction entering the exchanger E2 and, optionally, the natural gas during a first cooling step.
  • the vapor fraction thus precooled leaves the exchanger E2 partially condensed by the conduit 4 before being sent to the stages of the process described in FIG. 2.
  • the liquid fraction resulting from the partial condensation of the refrigerant mixture obtained by cooling using the external cooling fluid available, is sub-cooled, expanded and mixed with the expanded fraction from the recycling of the fraction steam, so as to ensure, by heat exchange with the mixture thus obtained, the additional cooling step of the mixture resulting from the compression step, as well as a first step of cooling the natural gas under pressure.
  • the liquid fraction of the refrigerant mixture, the vaporization of which provides the necessary cooling power in the exchanger E2 can also be separated at an intermediate pressure level as shown in the diagram in Figure 5.
  • the refrigerant mixture is compressed in a first compression stage to an intermediate pressure level and then cooled by a cooling fluid available water or air in the Cio exchanger and partially condensed.
  • the liquid phase obtained is separated in the separator flask S30, then sent to the exchanger E2 in which it is sub-cooled. It is then sent via line 19 to the expansion valve V3 then vaporized in the exchanger E2 from which it emerges through line 11 to be recycled to the compressor Ki o *
  • the vapor phase from the separator S30 undergoes a complementary compression step in the compressor K 2 0. then it is cooled in the exchanger C ⁇ o-
  • the resulting liquid-vapor mixture is then sent to the exchanger E2.
  • the liquid and vapor fractions can be sent simultaneously, the flow taking place for example by gravity or separately, the liquid fraction being, for example, pumped.
  • the exchanger E2 the partial condensation of the mixture is continued and the liquid and vapor phases thus obtained are sent through line 4 to the separator flask Si in which they are separated.
  • the two fractions thus obtained are sent to the process steps described in FIG. 2.
  • Another possibility is to avoid mixing the liquid fraction from the cooled and expanded condenser with the expanded fraction from the recycling of the vapor fraction.
  • Another way of proceeding consists in carrying out the precooling step or additional cooling step using a first closed refrigeration cycle.
  • FIG. 6 schematizes a way of proceeding according to this diagram using a mixture of refrigerants, consisting for example of ethane, propane and butane, to effect additional cooling of at least part of the mixture resulting from the compression step , as well as a first step of cooling the natural gas under pressure.
  • a mixture of refrigerants consisting for example of ethane, propane and butane
  • the first refrigeration cycle comprises, for example, compressors K2I 22 of the condensers associated with the compressors, respectively C21 and C22 and two exchangers E21, E22.
  • the cycle operates, for example, in the following way: the refrigerant mixture leaves the compressor K22 at a pressure, for example of 2MPa, and is then cooled in the condenser C22 for example by heat exchange with an external coolant.
  • the cooled liquid fraction leaving the condenser C22 is sent via a line 30 to a first exchanger E2 1 in which it undergoes a first sub-cooling step.
  • At least part of the cooled liquid fraction leaves the exchanger E21 through a line 19 and is expanded through the expansion valve V31 before being recycled to the exchanger E21. It is vaporized at an intermediate pressure level preferably between the low pressure and the high pressure of the first refrigeration cycle.
  • the vapor fraction generated during vaporization is evacuated and recycled through a conduit 34 preferably located in the upper part of the exchanger E21 at the inlet of the compressor K22-
  • the remaining liquid fraction is sent to a second exchanger E22 by a conduit 31 where it undergoes a second cooling step. It is then expanded through the expansion valve V32 and then vaporized to a value substantially equal to the low pressure value of the first refrigeration cycle at around 0.15 MPa.
  • the vapor fraction obtained during vaporization is sent through a line 33 to a compressor K21 located before the compressor K22- At the outlet of the compressor K21 the vapor fraction is cooled in the condenser C2 1 using, for example, d '' an external cooling fluid available then mixed with the vapor fraction coming from the exchanger E22 by the conduit 34 before the inlet of the compressor K22-
  • This procedure advantageously uses the vaporization of the liquid fractions sub-cooled respectively in the exchangers E21 and E22 to carry out a first stage of cooling or additional cooling of the vapor fractions from the separator flask S3, and / or of the natural gas under pressure to be liquefied passing through.
  • the exchanger E21 via line 1 before being sent to the final exchanger where the final liquefaction operation Ei takes place (FIG. 2).
  • the refrigerant mixture arriving in the vapor phase from the compression stage is thus precooled in two stages and is in partially condensed form before being sent via line 4 to the separator Si to be treated as described above, for example in Figure 2.
  • the fluids M1 and M2 obtained by the process described in relation to FIG. 2 are not mixed directly after expansion.
  • the mixture M1 can be used, for example, to cool the natural gas, for example by heat exchange, before being mixed with the mixture M2.
  • the device of FIG. 7 differs from the embodiment of FIG. 2 in particular by the addition of an exchanger E 12 preferably situated just after the exchanger Ei having in particular the function of sub-cooling the mixture M2.
  • the mixture Ml coming from the turbine Ti is sent by the pipe 9 to the exchanger E 12 in which it cools the natural gas coming from the exchanger Ei by the pipe 2.
  • the mixture Ml comes out of the exchanger E 12 through the conduit 9 'and is mixed with the mixture M2 leaving the exchanger Ei through the conduit 7 expanded in the expansion valve V and returned to the exchanger Ei through the conduit 8, for obtain the low temperature mixture performing the cooling of the natural gas in the exchanger E introduced by the conduit 1 and the subcooling of the liquid fraction coming from the separator Si entering the exchanger Ei by the conduit 6.
  • This mixture after heat exchange , spring of the exchanger E through the conduit 11 in an identical manner to FIG. 2, to possibly be recycled to the compressor K.
  • Part of the vapor phase coming from the separator Si can be sent via the line 5 'into the exchanger Ei. In the diagram in FIG. 7, it is mixed with the liquid phase coming from the separator Si. It is also possible to send it to the exchanger Ei by an independent circuit and thus obtain a liquid fraction which can then be sub- cooled, expanded, mixed with the mixture Ml from the turbine T and sent with the mixture Ml to the exchanger E 12 .
  • the refrigerant mixture used in this embodiment comprises, for example, hydrocarbons the number of atoms of which is preferably between 1 and 5, such as methane, ethane, propane, normal butane, isobutane, normal pentane or isopentane. It preferably comprises at least 10% nitrogen in molar fraction. This condition is met, for example, by limiting the content of the heavy constituents in the steam fraction and by controlling the temperature and pressure conditions at the inlet to the turbine.
  • the pressure of the refrigerant mixture is preferably at least 200 kPa at the inlet of the first compression stage Ki.
  • the liquid fraction is for example cooled to a temperature substantially close to the temperature obtained by mixing the two expanded fractions.
  • This liquid fraction being sub-cooled, preferably up to a temperature below its bubble temperature at the low pressure of the cycle, its expansion through the valve does not cause vaporization, which in particular makes it possible to limit the mechanical irreversibilities and to improve the performance of the cycle.
  • the mixing of the fluids M1 and M2 can be carried out at different temperature levels, corresponding to successive stages of heat exchange with the cooled natural gas.
  • FIG. 8 An example of a process according to the invention is described in FIG. 8 in which two successive fractions resulting from the expansion of the liquid fraction are mixed with the fraction resulting from the expansion of the vapor fraction in two stages.
  • the exchanger Ei in FIG. 2 is replaced by a succession of two exchangers E1 3 and E 14 .
  • the mixture Ml from the turbine Ti is sent through line 9 to be mixed with the first fraction from the expansion through valve V7 of the liquid fraction leaving under cooled from the exchanger E14 then is sent to the exchanger E14 in which, it makes it possible to cool for example the natural gas coming from an exchanger E1 3 located before and discharged after cooling by the conduit 2, then is mixed with a second fraction resulting from the expansion of the liquid fraction withdrawn at the outlet of the exchanger E 1 3 and expanded through the valve V ⁇ and sent to the exchanger E13.
  • the vapor fraction from the cooling step using the external fluid comprises in this embodiment two successive partial condensation steps by cooling under pressure, the vapor fraction from each of these steps being separated and sent to the next , the vapor fraction resulting from the last of the partial condensation stages being expanded at least partially in a turbine with the possibility of recovering at least partially a part of the mechanical expansion power, then mixed with at least one of the liquid fractions, previously expanded by obtaining a mixture at low temperature which is thermally exchanged with natural gas under pressure to be liquefied.
  • FIG. 8 shows the use of two successive stages of mixing between the relaxed fractions which can without difficulties be extended to a greater number of stages.
  • the choice of the number of floors used depends in particular on economic optimization.
  • Figure 9 shows schematically another way of proceeding, in which the condensation of the vapor fraction from the cooling step in the condenser Ci of the refrigerant mixture can be carried out in several steps before being sent to the separator Si. In this case, it is preferable to separate the liquid fraction obtained after each step.
  • the device comprises for example two condensation exchangers
  • the refrigerant mixture passes from the condenser Ci to the separator S3.
  • the vapor fraction is sent through line 17 to the exchanger E23 from which it emerges partially condensed by a line 24 and the mixture resulting from the condensation is separated by a separator tank S4.
  • the vapor fraction from the separator flask through a pipe 25 preferably located at the top of the flask is sent to the exchanger E24 in which it undergoes a new partial condensation step and leaves in the form of a liquid-vapor mixture via the pipe. 4 towards the process steps described in relation to FIG. 2.
  • the liquid fraction coming from the separator S4 via a conduit 26 is sub-cooled in the exchanger E24 expanded in a valve V32 to a pressure around 200 kPa, it is mixed with the vapor fraction recycled from the exchanger Ei by the conduit 11, this mixture making it possible to provide the required refrigeration in the exchanger E24.
  • the vapor fraction from the last partial condensation step is sent via line 4 to the separator tank before being treated in an identical manner to the process described in relation to FIG. 2 to obtain the mixtures Ml and M2 making up the low refrigerant mixture temperature for liquefying natural gas.
  • hydrocarbons heavier than methane and, in particular hydrocarbons which can form a gas fraction of liquefied petroleum (propane, butane) as well as a light petrol fraction (hydrocarbons with at least five carbon atoms)
  • these hydrocarbons can be at least partly separated by condensation and / or distillation at the end of a first step cooling of natural gas under pressure.
  • the natural gas comprises nitrogen and / or helium
  • these constituents can be at least partly separated by vaporization and / or distillation, the vaporization then causing additional cooling of the natural gas cooled under pressure to liquid state.
  • Natural gas introduced into the exchanger E2 via line 1, is available at 6.5 MPa and contains, for example, 88% mole of methane, 4% mole of nitrogen and heavier hydrocarbons such as ethane, propane, butane, pentane and hexane. Partial separation of these heavy fractions can be carried out during the precooling of natural gas in the exchanger E2.
  • Natural gas cooled to -20 ° C in exchanger E2 feeds via line 40 a distillation device Di comprising a column whose reflux is provided by a liquid fraction arriving through line 43.
  • the natural gas thus rectified in the column is sent via line 41 to exchanger E2 in which its cooling is continued down to -80 ° C.
  • the natural gas is successively cooled in the two exchangers En and E 12 to, for example, a temperature of -148 ° C.
  • the ultimate cooling of natural gas is provided by the reboiler of a column D2 located after the exchanger E12 and its expansion to, for example, a pressure of 0.13 MPa by the turbine T2.
  • the liquefied natural gas containing approximately 6% of steam is introduced at the head of column D2, then evacuated at the bottom of column D2 at a temperature substantially equal to -160 ° C. by a pipe 46.
  • the refrigerant used in this example consists, for example, of a mixture of nitrogen, methane, ethane, propane, normal butane and normal pentane.
  • the main constituents are nitrogen and methane with a mole content of 30% and 20% respectively.
  • the refrigerant mixture is cooled to a temperature of 35 ° C in the condenser Ci, then sent to the separator flask S 3 at the end of which the vapor fraction reaches for example 60% by mass.
  • This vapor fraction is then partially condensed in the exchanger E 2 .
  • the liquid fraction coming from the separator S 3 is sub-cooled in the exchanger E 2 then expanded to a low pressure, for example, 0.18 MPa in the valve V 3 and mixed with the light fraction of the refrigerant coming from the exchanger In through the conduit 14.
  • the refrigerant mixture in the vapor phase, feeds through the conduit 11, the compressor Ki comprising intermediate cooling exchangers C41 and C42.
  • the partially condensed vapor fraction in the exchanger E 2 is introduced via the conduit 4 into the tank Si to obtain a lighter vapor fraction entering the expansion turbine Ti via the conduit 5 and a heavier liquid fraction sent by the conduit 6 to be sub-cooled in the heat exchanger En. If the pot temperature is, for example, - 80 C C.
  • the trigger operated Ti in the turbine serves to cool to -150 ° C this vapor fraction, which then contains 4 mole% liquid.
  • the heavier liquid fraction sub-cooled in the exchanger En is expanded in the valve Vi, then mixed at low pressure and at a temperature substantially equal to that of the vapor fraction coming from the turbine Ti-
  • the temperature of the mixture thus produced before its counter-current vaporization of natural gas in the heat exchanger En maintains a minimum thermal approach of 2 ° C in this exchanger.
  • the heat exchanges occurring during the refrigeration stages are preferably carried out in heat exchangers operating against the current.
  • These heat exchangers are, for example, multiple pass exchangers and are preferably constituted by plate exchangers.
  • These plate exchangers can be, for example, brazed aluminum exchangers. It is also possible to use stainless steel exchangers whose plates are welded together.
  • the channels in which the fluids participating in the heat exchange circulate can be obtained by different means by placing intermediate plates between the plates. corrugated, using formed plates, for example by explosion or by using crossed plates, for example by chemical etching.
  • the compressor may for example be of the centrifugal type or of the axial type.
  • the refrigerant mixture is preferably compressed in at least two stages between which a cooling step is carried out by heat exchange with the external cooling fluid, water or air, available.
  • natural gas in the liquid state sub-cooled under pressure can be expanded, as has been shown in Example 1, at least in part in a turbine, to a pressure close to atmospheric pressure in producing liquefied natural gas which is exported.
  • the refrigerant mixture used to carry out the liquefaction cycle of a natural gas under pressure comprises hydrocarbons, the number of atoms of which is preferably between 1 and 5, such as the methane, ethane, propane, normal butane, isobutane, normal pentane, isopentane. It preferably comprises a nitrogen fraction of less than 10% in molar fraction.
  • the temperature of the mixture obtained from the expanded liquid and vapor fractions is lower than the bubble temperature of the liquid fraction taken for substantially identical pressure conditions.
  • the sub-cooling or additional cooling of the liquid fraction is preferably carried out up to a temperature substantially close to the temperature obtained by mixing the two expanded liquid and vapor fractions, which makes it possible in particular to avoid its vaporization through the expansion valve and thus limit mechanical irreversibilities and thus improve the performance of the refrigeration cycle.
  • Part of the vapor fraction can be cooled and condensed, the liquid fraction thus obtained being expanded and mixed with the Ml and M2 fractions to form the mixture at low temperature.
  • the variant embodiments relating to FIGS. 4 to 11 may advantageously include separation devices such as that relating to FIG. 3, where the simple gravity separators are replaced by distillation devices allowing improved separation of the refrigerant mixture.

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Abstract

On liquéfie un gaz naturel sous pression comprenant au moins un cycle de réfrigération à l'aide d'un mélange de fluides réfrigérants en procédant au moins aux étapes suivantes: a) on condense au moins en partie ledit mélange réfrigérant en le comprimant (K1) et en le refroidissant (C1), par exemple, à l'aide d'un fluide externe de refroidissement, pour obtenir au moins une fraction vapeur (5) et une fraction liquide (6), b) on détend séparément (T1, V1) au moins en partie chacune des 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 d'une phase liquide, c) on mélange au moins en partie les fluides M1 et M2 pour obtenir un mélange (10) à basse température, et d) on liquéfie et on sous-refroidit le gaz naturel sous pression (1) par échange thermique avec le mélange à basse température obtenu au cours de l'étape c).

Description

PROCEDE ET INSTALLATION DE LIQUEFACTION DU GAZ NATUREL
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.
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. Dans de tels procédés, un cycle 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. 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.
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.
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. 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.
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.
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. 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 vapeur et une fraction liquide en proportion variable.
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.
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 en 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 Ml composé en majorité d'une phase vapeur et un fluide lourd M2 composé en majorité d'une phase liquide, c) on mélange les fluides Ml et M2 pour obtenir un mélange à basse température, le mélange étant formé avant d'être échangé thermiquement avec le gaz naturel, et 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). Au cours de l'étape a) après condensation partielle, le mélange réfrigérant peut être envoyé dans une section de distillation, pour obtenir une fraction Ml enrichie en constituant(s) léger(s) et une fraction M2 enrichie en constituant(s) lourd(s). 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.
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.
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 Ml. Le mélange Ml 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. 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.
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. 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.
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. 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.
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.
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. II 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. II est aussi possible d'effectuer une étape de refroidissement complémentaire du gaz naturel.
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. 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.
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).
Le mélange Ml comporte par exemple moins de 10 % de fraction liquide en fraction molaire. Lorsque le gaz naturel comporte des hydrocarbures autres que le méthane, ces hydrocarbures peuvent être séparés au moins en partie par condensation et/ou distillation, par exemple à l'issue d'une première étape de refroidissement du gaz naturel sous pression.
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.
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.
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. Elle est caractérisée en ce qu'elle comporte un premier dispositif de condensation du mélange réfrigérant comprenant au moins un compresseur Ki et un condenseur Ci, un dispositif Si permettant de séparer la fraction vapeur et la fraction liquide issues du premier dispositif de condensation, des dispositifs Ti et Vi permettant de détendre respectivement les fractions liquide et vapeur séparées et au moins un dispositif E , tel qu'un échangeur dans lequel le mélange des fractions liquide et vapeur détendues est mise en contact thermique avec le fluide à refroidir, tel le gaz naturel à liquéfier. Le dispositif de détente Ti de la fraction vapeur et/ou le dispositif de détente V est une turbine, de manière à récupérer au moins une partie de l'énergie mécanique.
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.
Ainsi, la présente invention offre de nombreux avantages par rapport aux procédés habituellement utilisés dans l'art antérieur.
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. 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. De plus, l'utilisation d'une turbine permet de récupérer la puissance mécanique.
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.
Le schéma de principe utilisé dans l'art antérieur pour liquéfier un gaz naturel est rappelé brièvement à la figure 1.
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.
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.
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.
Le gaz naturel sous pression à liquéfier arrive dans un échangeur Ei par un conduit 1 et ressort de cet échangeur après liquéfaction par un conduit 2.
Le mélange réfrigérant utilisé au cours du procédé est tout d'abord comprimé dans un compresseur Ki, puis envoyé par une conduite 3 à un condenseur C 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 Si. 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 Si et envoyée dans un dispositif de détente, tel qu'une turbine T]. 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 Ml 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. La puissance mécanique de détente peut avantageusement être récupérée pour entraîner au moins en partie le compresseur Ki.
La fraction liquide sort du séparateur Si par un conduit 6 situé par exemple dans la partie inférieure du séparateur S et relié à l'échangeur E]. Cette fraction liquide est sous refroidie dans l'échangeur E], d'où elle ressort par un conduit 7 puis elle est détendue à travers une vanne de détente Vi 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.
Le fluide Ml 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.
Le mélange réfrigérant à basse température est envoyé vers l'échangeur Ei 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.
Dans ces conditions, le mélange réfrigérant reste au moins partiellement à l'état vapeur tout au long du cycle. II 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 Ei 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.
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 Ki par un conduit 11. La température de refroidissement du gaz naturel et, éventuellement, de toute fraction liquide ou vapeur passant dans l'échangeur Ei s'effectue, par exemple, jusqu'à une température sensiblement voisine de la température obtenue par mélange des deux fluides Ml et M2. Le gaz naturel sort liquéfié sous pression de l'échangeur Ei par le conduit 2, est détendu à travers une vanne de détente V2, 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. Le mélange résultant après échange thermique dans l'échangeur Ei est évacué puis recyclé par un conduit 11 vers le compresseur Ki- Il est, par exemple, comprimé puis refroidi par échange thermique avec le fluide extérieur de refroidissement, eau ou air disponible.
Le mélange réfrigérant à basse température peut aussi servir à sous refroidir la fraction liquide provenant du ballon séparateur Si, 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.
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.
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 Ml 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.
II 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 cycle, 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. 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.
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 Ml 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 Ml et M2 pour obtenir un mélange à basse température, et 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), 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.
Dans l'exemple décrit ci-dessus à la figure 2, les fluides Ml et M2 sont obtenus par simple réfrigération et condensation partielle d'un mélange initial, les deux phases obtenues étant séparées par gravité.
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.
Avantageusement, à l'issue de l'opération de distillation, on obtient un fluide léger Ml enrichi en constituants légers, permettant d'obtenir après mélange des fluides Ml et M2 détendus, une température de début de vaporisation du fluide Ml nettement plus basse que la température de bulle qu'il aurait en l'absence du fluide M2.
On procède par exemple de la manière suivante.
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 Ml 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 Ml 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 SI 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. L'exemple numérique suivant illustre la façon dont on peut réaliser un mélange à basse température à partir de deux fluides Ml et M2 issus d'une opération de fractionnement par distillation.
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.
Sa composition molaire est la suivante :
Cl : 0.45
N2 : 0.45
C2 : 0.05 C3 : 0.05
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 distillât gazeux Ml évacué par le conduit 63 et un résidu M2 évacué par le conduit 65 ayant respectivement les compositions données ci-après.
Composition du distillât Composition du résidu
Cl 0.1 0.8
N2 0.9 0.0
C2 0.0 0.1
C3 0.0 0.1 Le bilan matière pour une alimentation de 200 mol/h est, par exemple, le suivant : le débit de distillât est sensiblement de 100 mol/h et le débit de résidu de 100 mol/h.
Le distillât gazeux Ml 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 Ml est envoyé de la turbine vers l'échangeur E62 par le conduit 64. 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.
Les deux fluides Ml 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 Ml et M2 est à une température de -151°C dans le conduit 68, ce qui correspond à un abaissement de température de 11°C.
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.
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. II est ensuite envoyé par le conduit 70 dans le dispositif de fractionnement S60, dans lequel il est épuré des fractions les plus lourdes.
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.
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.
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.
Les figures 4 à 7 ci-après décrivent des variantes de traitement des fractions liquides et vapeur issues du condenseur Ci, 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. Une version préférée du procédé selon l'invention décrit en relation avec la figure 3 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.
Le mélange réfrigérant est envoyé par un conduit 12 du condenseur Ci vers un échangeur complémentaire E2 dans lequel il est refroidi. Le mélange réfrigérant ainsi refroidi est envoyé vers le ballon séparateur Si par le conduit 4 pour être ensuite traité de la manière décrite ci-dessus avec la figure 2.
Cette étape de refroidissement complémentaire peut être effectuée au moins en partie par échange thermique avec le mélange réfrigérant recyclé de l'échangeur Ei, provenant du conduit 11 qui traverse les deux échangeurs Ei et E2, par exemple.
L'échangeur complémentaire E2 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 Ei où il subit une deuxième étape de refroidissement. Le gaz naturel ressort de l'échangeur Ei sous forme liquide sous pression avant d'être détendu à travers la vanne V*2 et évacué.
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 E2 par un conduit 15 et quittant de l'échangeur par un conduit 16.
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.
La figure 4 schématise un premier exemple de réalisation dans lequel, le fluide traversant l'échangeur E2 provient de la vaporisation d'au moins une fraction liquide du mélange réfrigérant.
Le mélange réfrigérant au moins partiellement condensé est envoyé du condenseur Ci vers un ballon séparateur S3. A l'issue de cette séparation la fraction vapeur est envoyée par un conduit 17, par exemple vers l'échangeur
E2-
La fraction liquide est soutirée du ballon S3 par un conduit 18 et envoyée dans l'échangeur E2 d'où elle ressort sous-refroidie par un conduit 19. Cette fraction liquide sous-refroidie est détendue à travers une vanne de détente V3, et renvoyée par un conduit 20 vers l'échangeur E2. La fraction liquide détendue est mélangée avec le mélange vapeur recyclé provenant de l'échangeur Ei, l'ensemble étant ensuite recyclé vers l'échangeur E2.
Un tel mélange permet de sous-refroidir la fraction liquide, de refroidir la fraction vapeur pénétrant dans l'échangeur E2 et, éventuellement, le gaz naturel lors d'une première étape de refroidissement. La fraction vapeur ainsi pré refroidie ressort de l'échangeur E2 partiellement condensée par le conduit 4 avant d'être envoyée aux étapes du procédé décrites à la figure 2.
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.
La fraction liquide du mélange réfrigérant dont la vaporisation assure l'apport de puissance de réfrigération nécessaire dans l'échangeur E2 peut également être séparée à un niveau de pression intermédiaire comme l'illustre le schéma de la figure 5.
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 Cio et partiellement condensé. La phase liquide obtenue est séparée dans le ballon séparateur S30, puis envoyée à l'échangeur E2 dans lequel elle est sous- refroidie. Elle est alors envoyée par le conduit 19 à la vanne de détente V3 puis vaporisée dans l'échangeur E2 d'où elle ressort par le conduit 11 pour être recyclée au compresseur Ki o*
La phase vapeur issue du séparateur S30 subit une étape de compression complémentaire dans le compresseur K20. puis elle est refroidie dans l'échangeur C∑o- Le mélange liquide-vapeur résultant est alors envoyé dans l'échangeur E2. 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 E2, la condensation partielle du mélange est poursuivie et les phases liquide et vapeur ainsi obtenues sont envoyées par le conduit 4 au ballon séparateur Si dans lequel elles sont séparées. Les deux fractions ainsi obtenues sont envoyées aux étapes du procédé décrites à la figure 2.
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. 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.
La figure 6 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.
Le premier cycle de réfrigération comporte, par exemple, des compresseurs K2I 22 des condenseurs associés aux compresseurs, respectivement C21 et C22 et deux échangeurs E21, E22.
Le cycle fonctionne, par exemple, de la manière suivante: le mélange réfrigérant sort du compresseur K22 à une pression, par exemple de 2MPa, et est ensuite refroidi dans le condenseur C22 par exemple par échange de chaleur avec un fluide extérieur de refroidissement. La fraction liquide refroidie sortant du condenseur C22 est envoyée par une conduite 30 vers un premier échangeur E21 dans lequel elle subit une première étape de sous refroidissement. Au moins une partie de la fraction liquide refroidie ressort de l'échangeur E21 par une conduite 19 et est détendue à travers la vanne de détente V31 avant d'être recyclée vers l'échangeur E21. 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 E21 à l'entrée du compresseur K22- La fraction liquide restante est envoyée dans un deuxième échangeur E22 par un conduit 31 où elle subit une deuxième étape de refroidissement. Elle est ensuite détendue à travers la vanne de détente V32 puis vaporisée à une valeur sensiblement égale à la valeur de pression basse du premier cycle 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 K21 situé avant le compresseur K22- A la sortie du compresseur K21 la fraction vapeur est refroidie dans le condenseur C21 à l'aide, par exemple, d'un fluide extérieur de refroidissement disponible puis mélangée avec la fraction vapeur issue de l'échangeur E22 par le conduit 34 avant l'entrée du compresseur K22-
Cette manière de procéder utilise avantageusement la vaporisation des fractions liquides sous refroidies respectivement dans les échangeurs E21 et E22 pour réaliser une première étape de refroidissement ou refroidissement complémentaire des fractions vapeurs issues du ballon séparateur S3, et/ou du gaz naturel sous pression à liquéfier traversant l'échangeur E21 par le conduit 1 avant d'être envoyé dans l'échangeur final où s'effectue l'opération finale de liquéfaction Ei (figure 2).
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 Si pour être traité comme il a été décrit précédemment, par exemple à la figure 2.
Selon une autre variante de procédé schématisée sur la figure 7, les fluides Ml et M2 obtenus par le procédé décrit en relation avec la figure 2 ne sont pas mélangés directement après détente. Le mélange Ml 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 7 diffère du mode de réalisation de la figure 2 notamment par l'addition d'un échangeur E12 situé de préférence juste après l'échangeur Ei ayant notamment pour fonction de sous refroidir le mélange M2.
On procède, par exemple de la manière suivante: le mélange Ml provenant de la turbine Ti est envoyé par le conduit 9 vers l'échangeur E12 dans lequel il refroidit le gaz naturel provenant de l'échangeur Ei par le conduit 2. Le mélange Ml ressort de l'échangeur E12 par le conduit 9' et est mélangé avec le mélange M2 sortant de l'échangeur Ei par le conduit 7 détendu dans la vanne de détente V et renvoyé à l'échangeur Ei par le conduit 8, pour obtenir le mélange basse température réalisant le refroidissement du gaz naturel dans l'échangeur E introduit par le conduit 1 et le sous refroidissement de la fraction liquide issue du séparateur Si pénétrant dans l'échangeur Ei par le conduit 6. Ce mélange, après échange thermique, ressort de l'échangeur E par le conduit 11 de manière identique à la figure 2, pour éventuellement être recyclé vers le compresseur K .
Une partie de la phase vapeur provenant du séparateur Si peut être envoyée par le conduit 5' dans l'échangeur Ei. Sur le schéma de la figure 7 elle est mélangée avec la phase liquide provenant du séparateur Si. Il est également possible de l'envoyer dans l'échangeur Ei par un circuit indépendant et d'obtenir ainsi une fraction liquide qui peut être ensuite sous- refroidie, détendue, mélangée avec le mélange Ml provenant de la turbine T et envoyée avec le mélange Ml à l'échangeur E12.
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.
La pression du mélange réfrigérant est, de préférence au moins égale à 200 kPa à l'entrée du premier étage de compression Ki.
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. De manière avantageuse, le mélange des fluides Ml et M2 peut être effectué à différents niveaux de température, correspondant à des stades successifs d'échange thermique avec le gaz naturel refroidi.
Un exemple de procédé selon l'invention est décrit à la figure 8 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.
L'échangeur Ei de la figure 2 est remplacé par une succession de deux échangeurs E13 et E14.
On procède par exemple de la manière suivante : le mélange Ml issu de la turbine Ti est envoyé par le conduit 9 pour être mélangé avec t e première fraction issue de la détente à travers la vanne V7 de la fraction liquide sortant sous refroidie de l'échangeur E14 puis est envoyé vers l'échangeur E14 dans lequel, il permet de refroidir par exemple le gaz naturel provenant d'un échangeur E13 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 E13 et détendue à travers la vanne VÔ et envoyé vers l'échangeur E13.
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.
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.
L'exemple de réalisation de la figure 8 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.
La figure 9 schématise une autre façon de procéder, dans laquelle la condensation de la fraction vapeur issue de l'étape de refroidissement dans le condenseur Ci du mélange réfrigérant peut être effectuée en plusieurs étapes avant d'être envoyé dans le séparateur Si. Dans ce cas, il est préférable de séparer après chaque étape la fraction liquide obtenue. Le dispositif comporte par exemple deux échangeurs de condensation
E23 et E24 en liaison l'un et l'autre.
Il fonctionne par exemple de la manière suivante : le mélange réfrigérant passe du condenseur Ci vers le séparateur S3. A l'issue du séparateur, la fraction vapeur est envoyée par le conduit 17 vers l'échangeur E23 d'où elle ressort partiellement condensée par un conduit 24 et le mélange résultant de la condensation est séparé par un ballon séparateur S4. La fraction vapeur issue du ballon séparateur par un conduit 25 situé de préférence en tête de ballon est envoyée dans l'échangeur E24 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.
La fraction liquide issue du séparateur S4 par un conduit 26 est sous refroidie dans l'échangeur E24 détendue dans une vanne V32 jusqu'à une pression aux environs de 200 kPa, elle est mélangée avec la fraction vapeur recyclée de l'échangeur Ei par le conduit 11, ce mélange permettant d'assurer la réfrigération requise dans l'échangeur E24.
A la sortie de l'échangeur E24 il est mélangé avec la fraction liquide sous-refroidie dans l'échangeur E23 et détendue à travers la vanne de détente V31 pour former un nouveau mélange permettant d'assurer la réfrigération requise dans l'échangeur E23, avant d'être recyclé par le conduit 11 vers le compresseur Ki.
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 Ml et M2 composant le mélange réfrigérant basse température pour liquéfier le gaz naturel.
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. 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.
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 10 qui correspond, notamment, à la mise en oeuvre des dispositifs décrits sur les figures 4 et 7.
Le gaz naturel, introduit dans l'échangeur E2 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 E2. Le gaz naturel refroidi à -20 °C dans l'échangeur E2 alimente par le conduit 40 un dispositif de distillation Di 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 E2 dans lequel son refroidissement est poursuivi jusqu'à -80 °C.
A l'issue de cette première étape de refroidissement dans l'échangeur E2, le gaz naturel est refroidi successivement dans les deux échangeurs En et E12 jusqu'à, par exemple, une température de -148 °C. Le refroidissement ultime du gaz naturel est assuré par le rebouilleur d'une colonne D2 située après l'échangeur E12 et sa détente jusqu'à, par exemple, une pression de 0.13 MPa par la turbine T2. A la sortie de cette turbine T2, le gaz naturel liquéfié contenant environ 6% de vapeur est introduit en tête de la colonne D2, puis évacué en fond de colonne D2 à une température sensiblement égale à -160 °C par un conduit 46. La fraction légère riche en azote séparée dans la colonne D2 est évacuée en tête de colonne par le conduit 44 et entre dans un échangeur E 3 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 2 par le conduit 2.
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 Kl, le mélange réfrigérant est refroidi jusqu'à une température de 35 °C dans le condenseur Ci, puis envoyé dans le ballon séparateur S3 à l'issue duquel la fraction vapeur atteint par exemple 60 % en masse.
Cette fraction vapeur est ensuite partiellement condensée dans l'échangeur E2.
La fraction liquide provenant du séparateur S3 est sous refroidie dans l'échangeur E2 puis détendue jusqu'à une pression basse, par exemple, de 0.18 MPa dans la vanne V3 et mélangée à la fraction légère du réfrigérant provenant de l'échangeur En par le conduit 14. En sortie de l'échangeur E2, le mélange réfrigérant, en phase vapeur, alimente par le conduit 11, le compresseur Ki comportant des échangeurs de refroidissement intermédiaires C41 et C42. La fraction vapeur partiellement condensée dans l'échangeur E2 est introduite par le conduit 4 dans le ballon Si pour obtenir une fraction plus légère vapeur pénétrant dans la turbine de détente Ti par le conduit 5 et une fraction plus lourde liquide envoyée par le conduit 6 pour être sous refroidie dans l'échangeur En. La température du ballon Si est , par exemple, de - 80 CC. La détente opérée dans la turbine Ti, 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 En est détendue dans la vanne Vi, puis mélangée à basse pression et à une température sensiblement égale à celle de la fraction vapeur provenant de la turbine Ti- La température du mélange ainsi réalisé avant sa vaporisation à contre courant du gaz naturel dans l'échangeur En permet de maintenir une approche thermique minimum de 2°C dans cet échangeur.
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.
Il est également possible d'utiliser des échangeurs bobinés.
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 cycle et le choix de ce nombre d'étapes doit être effectué en fonction d'une optimisation technico- économique.
La détente des fractions liquides sous-refroidies provenant de la condensation partielle du mélange peut être effectuée comme cela 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 Vi et V3 peut être ainsi remplacée par une turbine.
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.
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.
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.
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.
Une partie de la fraction vapeur peut être refroidie et condensée, la fraction liquide ainsi obtenue étant détendue et mélangée avec les fractions Ml et M2 pour former le mélange à basse température.
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.

Claims

REVENDICATIONS
1) 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 en le comprimant et en le refroidissant 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 un fluide léger Ml composé en majorité d'une phase vapeur et un fluide lourd M2 composé en majorité d'une phase liquide, c) on mélange au moins en partie les fluides Ml et M2 pour obtenir un mélange à basse température, et 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).
2) Procédé de liquéfaction selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'au cours de l'étape (a) après condensation partielle, ledit mélange réfrigérant est envoyé dans une section de distillation, pour obtenir une fraction Ml enrichie en constituant(s) léger(s) et une fraction M2 enrichie en constituant(s) lourd(s).
3) Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une des revendications 1 et
2, caractérisé en ce que l'on détend la fraction vapeur au cours de l'étape b) à l'aide d'une turbine et on récupère au moins une partie de l'énergie mécanique de détente.
4) Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une des revendications 1 à
3, caractérisé en ce que le mélange réfrigérant issu de l'échange thermique avec le gaz naturel lors de l'étape d) est recyclé vers l'étape de compression a) du mélange réfrigérant.
5) Procédé de liquéfaction selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on effectue au moins une étape de refroidissement complémentaire du mélange M2 avant de le mélanger avec le mélange Ml. 6) Procédé de liquéfaction selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'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 de ce mélange et/ou du gaz naturel.
7) Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on utilise 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.
8) Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on utilise un mélange réfrigérant à une pression égale au moins à 200 kPa à l'aspiration d'un compresseur lors de l'étape a).
9) Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange Ml comporte moins de 10 % de fraction liquide en fraction molaire.
10) Procédé de liquéfaction selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz naturel comportant des hydrocarbures autres que le méthane et/ou de l'azote et/ou de l'hélium, on sépare au moins en partie lesdits constituants par vaporisation et/ou distillation.
11) Procédé de liquéfaction selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on détend le gaz naturel sous refroidi sous pression à l'état liquide 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.
12) Installation de refroidissement d'un fluide, notamment de liquéfaction d'un gaz naturel à l'aide d'un mélange réfrigérant, caractérisé en ce qu'elle comporte un premier dispositif de condensation du mélange réfrigérant comprenant au moins un compresseur (Ki ) et un condenseur (Ci), un dispositif (Si, DOO) permettant de séparer la fraction vapeur et la fraction liquide issues du premier dispositif de condensation partielle, des dispositifs (Ti, T6o) et (Vi, VÔI ) permettant de détendre respectivement les fractions liquide et vapeur séparées et au moins un dispositif (Ei), tel qu'un échangeur dans lequel le mélange des fractions liquide et vapeur détendues sont mises en contact thermique avec le fluide à refroidir.
13) Installation selon la revendication 12, caractérisée en ce que le dispositif de détente (Ti) de la fraction vapeur et/ou le dispositif de détente (Vi) est une turbine.
14) Installation selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisée en ce qu'il comporte un dispositif de refroidissement complémentaire des fractions liquide et /ou vapeur détendues, du gaz naturel ou du mélange réfrigérant.
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