EP2288841B1 - Système et procédé de vaporisation d'un fluide cryogénique, notamment du gaz naturel liquéfié, à base de co2 - Google Patents

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EP2288841B1
EP2288841B1 EP08874268A EP08874268A EP2288841B1 EP 2288841 B1 EP2288841 B1 EP 2288841B1 EP 08874268 A EP08874268 A EP 08874268A EP 08874268 A EP08874268 A EP 08874268A EP 2288841 B1 EP2288841 B1 EP 2288841B1
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EP
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heat exchanger
fluid
intermediate fluid
cryogenic fluid
vaporizing
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Herveline Robidou
Nicolas Bariteau
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GEA Batignolles Technologies Thermiques
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Definitions

  • the invention relates to a method for vaporizing a cryogenic fluid, in particular liquefied natural gas, comprising the steps of: supplying heat from ambient air to an intermediate heat transfer fluid in a first heat exchanger supplying heat from said intermediate fluid to the cryogenic fluid in a second heat exchanger for vaporizing the cryogenic fluid.
  • the invention applies more particularly to a process intended to be carried out on vaporization or regasification terminals of liquefied natural gas in order to vaporize said liquefied natural gas which arrives by LNG carriers in liquid form at a temperature of about 160 degrees Celsius (° C) to transform it into a gas at a temperature between + 2 ° C and + 20 ° C, this natural gas is then transported by pipelines to its place of use.
  • the patent is known US 7155917 , a method for vaporizing the liquefied natural gas as described above in which the intermediate fluid is in liquid form and is transported in a closed loop circuit passing through the heat exchangers by means of a pump.
  • the intermediate fluid is used in the second heat exchanger for the vaporization of liquefied natural gas, during which it cools. It is then reheated in the first heat exchanger by ambient air pulsed from top to bottom, which cooled the ambient air.
  • the formation of frost on the exchanger by condensation of the ambient humidity can be limited by a suitable air flow.
  • the temperature range of the intermediate fluid that is used to vaporize the liquefied natural gas is low, therefore this process requires a large heat exchange surface and therefore the installation of an additional circuit and exchangers of which the dimensions are very important.
  • Another method of vaporizing liquefied natural gas known for example from the patent document US 5390500 consists of using ambient air as an intermediate fluid to vaporize the liquefied natural gas.
  • this process has a low efficiency and the amplitude of air temperature that is exploitable to vaporize liquefied natural gas is low, so this process is limited to small or medium size operations.
  • this method has the disadvantage that the moisture condensation of the air becomes ice when the wall temperature of the exchanger becomes negative, which implies to provide a defrosting of the exchanger.
  • Patent document is also known FR 2882129 another liquefied natural gas vaporization system with a methanol-type intermediate heat transfer fluid, comprising a closed-loop circuit that passes through two heat exchangers, one for ambient air and the other for liquefied natural gas.
  • the methanol is warmed from -70 ° C to 0 ° C in the air exchanger and then pumped into the liquefied natural gas exchanger where it is cooled from 20 ° C to -70 ° C.
  • the object of the invention is to overcome these disadvantages by proposing a method and a system using an intermediate fluid to vaporize a cryogenic fluid on a large scale and which does not lead to the formation of ice.
  • the subject of the invention is a process for vaporizing a cryogenic fluid, in particular liquefied natural gas, comprising the steps of: supplying heat from the ambient air to an intermediate heat transfer fluid in a first heat exchanger, provide the heat from said intermediate fluid to the cryogenic fluid in a second heat exchanger for vaporizing the cryogenic fluid, characterized in that said intermediate fluid is fed into the second heat exchanger after being compressed, and that it is fed into the first heat exchanger after being relaxed.
  • the intermediate fluid which may be carbon dioxide
  • the intermediate fluid may be compressed to a certain high pressure to be brought to a supercritical state, for CO 2 a pressure of between about 80 and 130 bar, and be relaxed at a pressure of between about 30 and 50 bar.
  • the carbon dioxide follows a supercritical cycle.
  • CO 2 carbon dioxide
  • propane propane, R134a, R152a or R32
  • ammonia or azeotropic mixtures such as ammonia water.
  • CO 2 has the advantage of having a much lower global warming potential than other refrigerants, which is less polluting in the event of a leak or a release into the environment.
  • CO 2 is also a natural fluid, available in large quantities, non-flammable and whose solidification temperature is about -60 ° C, which temperature is not reached by CO 2 during the process according to the invention. invention, which prevents any risk of freezing of the second heat exchanger.
  • the CO 2 also has the particularity, in the ranges of temperature and pressure used in the first heat exchanger, to be insensitive to pressure variations, that is to say that a small pressure loss does not occur. has virtually no influence on its temperature. Since it is known that all the circuits can leak, the use of CO 2 makes it possible to maintain the quasi-constant temperature in the first heat exchanger even in situations of pipe leaks.
  • the intermediate fluid can also be maintained in a subcritical state, characterized by a less restrictive mean compression up to pressures between 40 and 60 bar, and then expansion at a pressure of between about 30 and 35 bar.
  • the invention extends to a system for implementing such a process for vaporizing a cryogenic fluid.
  • FIG. 1 shows schematically an example of a vaporization system 1 for carrying out the process for vaporizing a cryogenic fluid according to the invention.
  • This cryogenic fluid is in particular liquefied natural gas, but it is obvious that the vaporization system 1 could be used to vaporize another cryogenic fluid.
  • the vaporization system 1 comprises a closed loop circuit 2 of an intermediate heat transfer fluid flowing in a certain direction of circulation indicated by the arrow A on the figure 1 and which passes, in the flow direction A, a first heat exchanger 3 between the ambient air and the intermediate fluid designed to vaporize the intermediate fluid at constant temperature, a compressor 4 of the intermediate fluid, a second heat exchanger 5 between the intermediate fluid and the cryogenic fluid for vaporizing the latter and an expansion member 6 of the intermediate fluid.
  • the vaporization system 1 may furthermore comprise an intermediate fluid storage device 14 placed between the first heat exchanger 3 and the compressor 4 which makes it possible to constitute an intermediate fluid reserve in order to secure the operation of the compressor 4 and to ensure sufficient quantity of intermediate fluid at the inlet of the second heat exchanger 5.
  • the figure 2 illustrates an example of the intermediate fluid vaporization heat exchanger 3. It comprises one or more bundles of tubes 7 arranged in several substantially parallel superimposed rows (shown in dashed lines) in which the intermediate fluid circulates and around which the ambient air circulates, the ambient air and the intermediate fluid being thus not in direct contact.
  • the ambient air is pulsed in the first heat exchanger 3 by one or more fans 8.
  • Humidity contained in the ambient air can condense on the tubes 7 of the first exchanger 3 when the surface of the tubes 7 is sufficiently cold and be removed from the first exchanger 3 by gravity. It will preferably be chosen to pulsate the ambient air by the fans from top to bottom, in the direction of flow of the condensed moisture so as to promote its evacuation.
  • the intermediate fluid is here injected in the liquid phase in the heat exchanger 3 through one end 9A of the tubes 7, then it boils in the tubes 7 so that it vaporizes at a quasi-constant temperature and spring in the gas phase , that is to say, vaporized, by another end 9B, which is here adjacent to the inlet end 9A of the intermediate fluid.
  • the superimposed arrangement of the tubes 7 is shown on the figure 2 as a non-limiting example.
  • the position of the motors and reducers of the fans 8 below the bundle of tubes 7 is given by way of non-limiting example.
  • the motors and reducers of the fans 8 can be placed above the level of the tubes 7 to avoid any contact with water.
  • the intermediate fluid would enter the tubes 7 through a low end 9A and out of the tubes 7 by a high end 9B having a much higher level than the end 9A.
  • the tubes 7 of the heat exchanger 3 preferably comprise passage sections adapted to limit the pressure losses, depending on the liquid or gaseous state of the intermediate fluid.
  • a first passage section composed of a certain number of tubes 7 of a first diameter adapted to the liquid intermediate fluid (for example a row of ten tubes 7)
  • a second passage section composed of tubes 7 adapted to the intermediate fluid gas, having a diameter greater than the first diameter or the same diameter but in greater numbers (for example two rows of ten tubes 7) so as to define a larger volume.
  • the tubes 7 may be made of steel, for example stainless steel or carbon steel. They are advantageously provided with external fins and internal fins of variable shapes (not shown), the outer fins promoting the heat exchange between the ambient air and the intermediate fluid and allowing drainage of the condensed moisture, and the internal fins promoting the boiling of the intermediate fluid by increasing the number of nucleation sites on the wall of the tubes 7, which reduces the size of the heat exchanger 3.
  • the outer fins are preferably aluminum and the spacing between two consecutive fins is preferably between 1.5 mm and 3 mm to effectively drain condensed moisture.
  • the shape and size of the outer fins may vary from one tube to another of the tube bundle 7.
  • the internal fins may also be replaced by a dent or a structured surface of the inner wall of the tubes 7.
  • the outer surface of the fins can be chemically treated to exhibit water-repellent and anti-corrosion properties in order to promote the flow of water and increase the life of the installation.
  • the figure 3 shows schematically part of the second cryogenic fluid vaporization heat exchanger 5 which is here in the form of a coaxial exchanger consisting of a set of tubes 10 each formed of two coaxial tubes 11,12.
  • the cryogenic fluid circulates in the inner tube 11 in a direction opposite to the flow direction A, indicated by the arrow B on the figure 3
  • the intermediate fluid circulates in the outer tube 12 around the inner tube 11 in the direction of circulation A.
  • the inner tube 11 of the coaxial exchanger 10 may be equipped with fins 13 extending radially between the two tubes 11,12 to promote heat exchange between the intermediate fluid and the cryogenic fluid.
  • An insulating material (not shown) may be disposed around the outer tube 12 to limit the heat exchange with the ambient air and therefore the heat losses.
  • the second heat exchanger 5 may also be in the form of a shell-type heat exchanger (not shown), or plate type (not shown), in a manner generally known to those skilled in the art, each comprising different passage sections adapted to the density fluids passing through it (in liquid or gaseous form in the supercritical state).
  • the respective circulations of the intermediate fluid and the cryogenic fluid are also countercurrent to improve heat exchange between the two fluids.
  • the second heat exchanger 5 is preferably made of nickel-enriched steel so as to withstand high temperature variations.
  • the compressor 4 is chosen as a function of the heat load, the pressure and temperature ranges and the flow rate of the intermediate fluid among commercial compressors developed recently, for example by DORIN, and adapted for the compression of the intermediate fluid in the ranges. process pressure and temperature, and especially for compressing supercritical carbon dioxide from a temperature of from about -10 ° C to + 15 ° C at a temperature of from about + 100 ° C to + 150 ° C.
  • the expansion member 6 may be a mechanically or electronically regulated valve.
  • the intermediate heat transfer fluid may advantageously be carbon dioxide (CO 2 ) whose thermodynamic properties make it possible to optimize the operation of the vaporization system 1 and in particular to very strongly reduce the exchange surface.
  • CO 2 carbon dioxide
  • heat of the second heat exchanger 5 necessary for the vaporization of the cryogenic fluid considering for CO 2 , an inlet temperature in the second exchanger 5 of + 150 ° C and an outlet temperature of the exchanger 5 of 0 ° C, and for the cryogenic fluid, an inlet temperature in the exchanger 5 of -160 ° C and an exit temperature of the exchanger 5 of + 2 ° C, the difference of logarithmic temperature characterizing the exchange is 154 ° C.
  • another conventional intermediate fluid for example brine
  • this logarithmic temperature difference is only 49 ° C.
  • a vaporization system 1 according to the invention using such another fluid would require a heat exchanger 5 having three times more heat exchange surface.
  • a refrigerant fluid having thermodynamic properties close to the CO 2 for this process such as propane, R134a, R152a or R32, may be used as the intermediate fluid.
  • the CO 2 Mollier diagram is shown in which is shown a typical example of the cycle of steps corresponding to the process according to the invention and indicating the state of the CO 2 at each stage, as illustrated in FIG. figure 5 .
  • the LNG vaporization process according to the invention therefore comprises a cycle which begins at stage 51 by a first heat transfer in the first heat exchanger 3 consisting of supplying the CO 2 with the heat of the ambient air introduced into the the heat exchanger 3 at a temperature between + 3 ° C and + 50 ° C, the CO 2 at the inlet 9A in the exchanger 3 in the liquid phase at a temperature between about -10 ° C and + 15 ° C.
  • the heat transfer from the ambient air to the CO 2 makes it possible to vaporize the CO 2 at constant temperature and pressure, as can be seen in FIG. figure 4 , the air leaving the exchanger 3 is therefore cooled.
  • the CO 2 is at a pressure of between approximately 30 and 50 bar, and still at a temperature of between approximately -10 ° C. and + 15 ° C., which implies that, even if the humidity of the ambient air condenses on the surface of the heat exchanger 3, the risks of freezing are very limited or even eliminated.
  • the CO 2 undergoes in the first heat exchanger 3 a phase change (from its liquid phase to a gaseous phase) which provides several advantages.
  • a phase change from its liquid phase to a gaseous phase
  • the CO 2 is not very sensitive to pressure variations: for example, if CO 2 suffers a pressure loss of about 1 bar between its inlet 9A and its outlet 9B in the heat exchanger 3, the temperature is lowered by only approximately 1 ° C between the inlet 9A and the outlet 9B of the CO 2 in this exchanger 3.
  • the CO 2 in its gaseous phase can be accumulated in step 52 in the storage device 14, the size of which is adapted to the volume of the intermediate fluid loop 2, before being compressed at step 53 at a pressure between about 80 and 130 bar, to be warmed to a temperature of between about + 100 ° C and + 150 ° C as can be seen in FIG. figure 4 .
  • the pressure of the CO 2 then being higher than the critical pressure, the CO 2 is in its supercritical form.
  • the supercritical CO 2 is brought to step 54 in the heat exchanger 5 to supply its heat to the LNG entering the liquid phase L (see FIG. figure 1 ) at a temperature of about -160 ° C, in an amount such that the LNG is vaporized and heated to a temperature between about + 2 ° C and + 20 ° C at the outlet G of the exchanger 5 (see figure 1 ).
  • the CO 2 is cooled to a temperature of between about 0 ° C. and -10 ° C. by the transfer of heat from CO 2 to LNG, as can be seen in FIG. figure 4 .
  • step 55 the CO 2 is expanded to constant enthalpy to a pressure of between about 30 and 50 bar in the expansion member 6, as can be seen in FIG. figure 4 .
  • the CO 2 pressure at the end of the expansion step 55 is regulated so as to obtain a CO 2 temperature of between about -10 ° C and + 15 ° C.
  • the process continues in a loop by returning to step 51.
  • the CO 2 temperature varies between about + 150 ° C and -10 ° C during one cycle, which is well above the CO 2 solidification temperature of about -60 ° C , thereby preventing any risk of congealing CO 2 in the second heat exchanger 5.
  • the loss due to the small temperature range exploitable on the air can be advantageously compensated by a elevation of the intermediate fluid flow in the circuit 2 on the one hand and the flow of the fans 8 circulating the ambient air in the first heat exchanger 3 on the other.
  • the process according to the invention is therefore exploitable for an ambient air temperature of between about + 3 ° C. and + 50 ° C.
  • an additional heating loop (not shown) of the intermediate fluid can be provided.
  • the air cooled at the outlet of the first heat exchanger 3 may advantageously be used in another exchanger for cooling a working fluid (for example water) of a power generation system ( from a gas turbine for example).
  • a working fluid for example water
  • a power generation system from a gas turbine for example.
  • the figure 6 shows a variant of the vaporization system according to the invention comprising an internal exchanger 15 interposed between the (intermediate fluid) outlet of the exchanger 5 (or on the high pressure CO 2 circuit upstream of the expansion member 6) and the output (of intermediate fluid) of the exchanger 3 (either on the low pressure CO 2 circuit upstream of the compressor 4).
  • This exchanger 15 makes it possible to improve the coefficient of performance of the CO 2 loop by increasing the amount of usable energy for the heat exchange (this can be understood by the difference of greater exploitable enthalpy when this exchanger is present in the loop) relative to the energy used for fluid compression.
  • this exchanger 15 allows the CO 2 to enter the compressor 4 at a higher temperature (of the order of 10 to 20 ° C) and therefore for the same compression ratio, to leave the compressor at a temperature more important (of the order of 10 to 20 ° C).
  • the internal exchanger 15 may be a coaxial exchanger as shown in FIG. figure 3 with a flow of fluids against the current. The CO 2 at the highest pressure is ideally introduced into the central tube while the low pressure CO 2 flows through the outer tube surrounding the central tube.
  • the figure 7 shows another variant of the vaporization system 1 according to the invention comprising three closed loop CO 2 circuits 2,20,30 of the intermediate heat transfer fluid, here CO 2 circulating in each loop, in a certain sense indicated by arrows A, A2, A3 respectively.
  • the CO 2 passes through, in the same manner as previously described in connection with the figure 1 in the flow direction A, first the first heat exchanger 3, then the compressor 4, the second heat exchanger 5 and the expansion member 6.
  • the passage of the ambient air in the first heat exchanger 3 is represented by an arrow indicating AIR
  • the entry into the liquid or supercritical phase and the gas phase output of the cryogenic fluid, here LNG, in the second heat exchanger 5 are represented by arrows respectively indicating L and G.
  • this first circuit 2 is to vaporize the LNG by exchanging heat with compressed CO 2 in the compressor 4 and to obtain LNG with a positive outlet temperature G, like the process described above in connection with the figure 5 .
  • the CO 2 passes, in the flow direction A2, a fourth heat exchanger 21 between the ambient air and the CO 2 , a fifth heat exchanger 23 between the CO 2 and the LNG, and a pump 24 of electric type or other.
  • the CO 2 is fed from the fourth heat exchanger 21 to the fifth heat exchanger 23 by conventional ducts, known as such to those skilled in the art.
  • the fifth heat exchanger 23 is here connected in series with the second heat exchanger 5 to preheat the LNG, the LNG inlet (in liquid or supercritical phase) in the fifth heat exchanger 23 being represented on the figure 7 by an arrow indicating L2 and the exit of the heated LNG (always in liquid or supercritical phase) being indicated by the arrow L.
  • This second circuit 20 preheats the LNG by heat exchange with CO 2 with low power consumption and optimized cost.
  • LNG arrives at L in the first circuit 2, which makes it possible to reduce the CO 2 compression range necessary to reach a pressure and a CO 2 temperature sufficient to vaporize the LNG.
  • a third closed loop CO 2 circuit 30 upstream of the second CO 2 circuit 20, the CO 2 passes, in the direction of circulation A3, a sixth heat exchanger 31 between the ambient air and the CO 2 , a turbine 33 adapted to use a CO 2 pressure difference to produce electrical energy, a seventh heat exchanger 34 between the CO 2 and the LNG, and a pump 35 of electrical type or other.
  • the seventh heat exchanger 34 is here connected in series with the fifth heat exchanger 23 to carry out another preheating of the LNG, the entry of the LNG (in the liquid phase) into the seventh heat exchanger 34 being represented on the figure 7 by an arrow indicating L3 and the exit of the heated LNG (in liquid or supercritical phase) being indicated by the arrow L2.
  • This third circuit 30 makes it possible to preheat the LNG while using the CO2 pressure difference in the cycle to turn the turbine 33 and produce electrical energy, which will be used in various parts of the system 1 (pumps, compressors , fans, etc.).
  • each circuit 2,20,30 the ambient air is pulsed in the heat exchangers 3,21,31 by respective fans 8,22,32 at the arrows indicating AIR on the figure 7 .
  • FIG. figure 8 which represents the CO 2 Mollier diagram, three cycles of steps C1, C2, C3 of the vaporization method according to the invention, when it is implemented in a system illustrated in FIG. figure 7 comprising three closed-loop circuits 2, 20, 30, using CO 2 as an intermediate fluid and LNG as a cryogenic fluid.
  • the vaporization system 1 preferably operates with the three closed-loop circuits 2, 20, 30, but can also operate with only the first and the second closed-loop circuits 2, 20, or with the first circuit 2 alone as will be specified below.
  • the liquid LNG is first introduced into the third circuit 30 at a temperature of about -160 ° C. and a pressure of about 90 bars in the seventh heat exchanger 34, at the level of the arrow L3 on the figure 7 to be heated by heat exchange with the CO 2 in the exchanger 34 to a temperature between -55 ° C and -30 ° C output L2, the LNG is then in a supercritical state.
  • the CO 2 undergoes a cycle C1 (shown in broken lines on the figure 8 ) starting at step 81 by a heat transfer in the heat exchanger 31 of supplying the CO 2 at the inlet of the exchanger 31 in the liquid phase at a temperature between about -5 ° C and 0 ° C and at a pressure between 30 and 35 bar, the heat of the ambient air introduced into the heat exchanger 31 at a temperature of at least + 5 ° C.
  • This step 81 like step 51 previously described, aims to vaporize the CO 2 at constant temperature and pressure, as can be seen on figure 8 , the air leaving the exchanger 31 is therefore cooled.
  • the gaseous CO 2 is fed into the turbine 33 in which the CO 2 undergoes in step 82 a pressure drop of between about 7 and 15 bars and a temperature drop of at between about -50 ° C and -25 ° C.
  • the pressure difference of the CO 2 in the turbine is high, which makes it possible to recover a large amount of electrical energy.
  • the gaseous CO 2 is fed into the seventh heat exchanger 34 to supply heat and, in step 83, to heat the liquid LNG input to L3 in the exchanger 34.
  • the CO 2 passes from the gaseous state to a liquid state, at constant temperature and pressure.
  • step 84 the CO 2 is pumped towards the sixth exchanger 31, so that its pressure increases to between about 30 and 35 bar and its temperature increases to between about -5 ° C and 0 ° C. ° C, and the CO 2 is in the liquid state.
  • the process continues in a loop by returning to step 81.
  • the supercritical LNG leaves the seventh heat exchanger 34 in L2 to be led into the second circuit 20 where it is heated by a heat exchange with CO 2 in the fifth exchanger 23 to to reach a temperature between -15 ° C and -7 ° C at the outlet L of the exchanger 23, the LNG then being in a supercritical state.
  • the CO 2 undergoes a cycle C2 (represented in solid line on the figure 8 ) beginning in step 91, as in step 81 previously described, by a heat transfer in the fourth heat exchanger heat 21 of providing CO 2 with the heat of the ambient air introduced into the heat exchanger 21 at a temperature of at least + 5 ° C, the CO 2 being liquid at the inlet of the exchanger 21 at a temperature between about -5 ° C and 0 ° C, and a pressure between 30 and 35 bar.
  • This step 91 makes it possible to vaporize the CO 2 at constant temperature and pressure, the air leaving the exchanger 21 being cooled.
  • the CO 2 in the gaseous phase is brought to the stage 92 to the fifth heat exchanger 23 in ducts in which the CO 2 undergoes a slight loss of pressure up to about 25 bars and 33 bars, and a temperature drop of between -10 ° C and -2 ° C.
  • the CO 2 provides heat and warms in step 93 the liquid LNG entered at L2 in the exchanger 23.
  • the CO 2 changes from the gaseous state to a liquid state, at constant temperature and pressure.
  • step 94 the CO 2 is pumped towards the fourth exchanger 21 and goes from the gaseous state to the liquid state, its pressure increases to between about 30 and 35 bar and its temperature increases to at between about -5 ° C and 0 ° C. The process continues in a loop by returning to step 91.
  • the supercritical LNG leaves the fifth L-shaped heat exchanger 23 at a temperature between about -15 ° C and -7 ° C to be conducted in the first circuit 2 where it is heated and vaporized by exchange of heat.
  • heat with CO 2 in the second heat exchanger 5 up reach a temperature between 0 ° C and + 15 ° C at the outlet G of the exchanger 5.
  • the CO 2 undergoes a cycle C3 (shown in dotted lines on the figure 8 ) beginning at step 101, as in step 81 or 91 previously described, by a heat transfer in the first heat exchanger 3 consisting of supplying the CO 2 with the heat of the ambient air introduced into the exchanger of heat 3 at a temperature of at least + 5 ° C, the CO 2 being liquid at the inlet of the exchanger 3 at a temperature between about -5 ° C and 0 ° C, and a pressure of between and 35 bar.
  • This step 101 makes it possible to vaporize the CO 2 at constant temperature and pressure, the air leaving the exchanger 3 being cooled.
  • the CO 2 gas phase is compressed in step 102 to a pressure between about 40 and 60 bar, to be heated to a temperature between about 5 ° C and 20 ° C.
  • the CO 2 is then brought into the heat exchanger 5 to provide step 103 of the LNG heat input L at a temperature of about -15 ° C, in an amount such that the LNG is vaporized and heated up to at a temperature of between about 0 ° C. and + 15 ° C. at the outlet G of the exchanger 5.
  • the CO 2 changes from the gaseous state to a liquid state, at constant temperature and pressure. .
  • the CO 2 is fed to the expansion element 6 to be expanded in step 104 with constant enthalpy to a pressure of between about 30 and 35 bar, and a temperature of between about -5 ° C. and 0 ° C. ° C.
  • the process continues in a loop back to step 101.
  • the CO 2 can also undergo a so-called supercritical cycle as described above in connection with the figure 4 .
  • the pressure of the LNG is regulated so as to remain quasi-constant and only decreases from about 90 bars at the inlet L3 of the third circuit 30 to about 88 bars at the output G of the first circuit 2 .
  • the advantage of this process in three successive cycles C1, C2, C3 is that it allows, by decreasing the CO 2 compression range at step 102 (compared to step 53 of the method described above in relation to with the figure 5 ), greatly reduce the consumption of electrical energy in the C3 cycle.
  • the circuit C2 makes it possible to bring LNG to a relatively high temperature in the circuit C3 to allow this reduction in CO 2 compression.
  • the advantage of the circuit C1 is that it makes it possible to use part of the CO 2 energy to produce electricity, which reduces the energy dependence of the other circuits C2, C3.
  • the set of circuits C1, C2, C3 consumes less energy and is more efficient than the circuit C3 alone.
  • the method according to the invention can be implemented in only the circuits C2, C3 with the same pressure and temperature ranges for the CO 2 at each stage.
  • the LNG is introduced directly into L2 in the fifth heat exchanger 23 of the circuit C2 at a temperature of about -160 ° C, and L-spring at a temperature of about -15 ° C to -7 ° C before being introduced into the second heat exchanger 5.
  • the C2 circuit being a circuit without compressor, with a conventional pump 24, the total cost of the circuits C2 and C3 is advantageous compared to the circuit C3 alone.
  • the method according to the invention can also be used in circuit C3 only with the same pressure and temperature ranges for CO 2 at each stage.
  • the LNG is introduced directly into L in the second heat exchanger 5 of the circuit C3 at a temperature of about -160 ° C., and vaporized spring in G at a temperature of about 0 ° C. to + 15 ° C. vs.
  • This process allows a lower energy consumption than the method described above in relation to the figures 1 and 4 which requires CO 2 compression at least about 80 bar.
  • the fourth and sixth heat exchangers 21, 31 between air and CO 2 are similar to the first heat exchanger 3, and that the fifth and seventh heat exchangers 23, 34 between the LNG and the CO 2 are similar to the second heat exchanger 5.

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Description

  • L'invention concerne un procédé de vaporisation d'un fluide cryogénique, notamment du gaz naturel liquéfié, comprenant les étapes suivantes : fournir de la chaleur à partir de l'air ambiant à un fluide intermédiaire de transfert de chaleur dans un premier échangeur de chaleur, fournir de la chaleur à partir dudit fluide intermédiaire au fluide cryogénique dans un deuxième échangeur de chaleur pour vaporiser le fluide cryogénique.
  • L'invention s'applique plus particulièrement à un procédé destiné à être mis en oeuvre sur des terminaux de vaporisation ou regazéification du gaz naturel liquéfié afin de vaporiser ledit gaz naturel liquéfié qui arrive par des méthaniers sous forme liquide à une température d'environ -160 degrés Celsius (°C) pour le transformer en gaz à une température comprise environ entre +2°C et +20°C, ce gaz naturel étant ensuite transporté par des gazoducs jusqu'à son lieu d'utilisation.
  • On connaît en particulier du brevet US 7155917 , un procédé pour vaporiser le gaz naturel liquéfié tel que décrit plus haut dans lequel le fluide intermédiaire se présente sous forme liquide et est transporté dans un circuit en boucle fermée passant par les échangeurs de chaleur au moyen d'une pompe. Le fluide intermédiaire est utilisé dans le deuxième échangeur de chaleur pour la vaporisation du gaz naturel liquéfié, au cours de laquelle il se refroidit. Il est ensuite réchauffé dans le premier échangeur de chaleur par de l'air ambiant pulsé du haut vers le bas, ce qui refroidi l'air ambiant. La formation de givre sur l'échangeur par condensation de l'humidité ambiante peut être limitée par un débit d'air adapté. Cependant, l'amplitude de température du fluide intermédiaire qui est utilisable pour vaporiser le gaz naturel liquéfié est faible, par conséquent, ce procédé nécessite une grande surface d'échange thermique et donc l'installation d'un circuit supplémentaire et d'échangeurs dont les dimensions sont très importantes.
  • Un autre procédé de vaporisation du gaz naturel liquéfié connu par exemple du document de brevet US 5390500 consiste à utiliser l'air ambiant comme fluide intermédiaire pour vaporiser le gaz naturel liquéfié. Cependant, ce procédé a une faible efficacité et l'amplitude de température de l'air qui est exploitable pour vaporiser le gaz naturel liquéfié est faible, ce procédé est donc limité à des exploitations de petite ou moyenne taille. Par ailleurs, ce procédé présente l'inconvénient que la condensation de l'humidité de l'air se transforme en glace lorsque la température de paroi de l'échangeur devient négative, ce qui implique de prévoir un dégivrage de l'échangeur.
  • On connaît aussi du document de brevet FR 2882129 un autre système de vaporisation de gaz naturel liquéfié avec un fluide intermédiaire caloporteur de type méthanol, comprenant un circuit en boucle fermée qui traverse deux échangeurs de chaleur, l'un pour l'air ambiant et l'autre pour le gaz naturel liquéfié. Le méthanol est réchauffé de -70°C à 0°C dans l'échangeur à air, puis amené par une pompe dans l'échangeur à gaz naturel liquéfié où il est refroidi de 20°C à -70°C.
  • Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé et un système utilisant un fluide intermédiaire pour vaporiser un fluide cryogénique à grande échelle et qui ne conduise pas à la formation de givre.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de vaporisation d'un fluide cryogénique, notamment du gaz naturel liquéfié, comprenant les étapes suivantes : fournir de la chaleur à partir de l'air ambiant à un fluide intermédiaire de transfert de chaleur dans un premier échangeur de chaleur, fournir de la chaleur à partir dudit fluide intermédiaire au fluide cryogénique dans un deuxième échangeur de chaleur pour vaporiser le fluide cryogénique, caractérisé en ce que ledit fluide intermédiaire est amené dans le deuxième échangeur de chaleur après avoir été comprimé, et en ce qu'il est amené dans le premier échangeur de chaleur après avoir été détendu.
  • En particulier, le fluide intermédiaire, qui peut être du dioxyde de carbone, peut être comprimé à une certaine pression élevée pour être amené à un état supercritique, soit pour le CO2 une pression comprise entre environ 80 et 130 bars, et être détendu à une pression comprise entre environ 30 et 50 bars. Dans ce cas d'utilisation, le dioxyde de carbone suit un cycle supercritique.
  • Avec ce procédé, on peut vaporiser un fluide cryogénique avec une surface d'échange thermique très réduite, sans apparition de givre, ce qui permet de mettre en oeuvre ce procédé dans des installations de grandes tailles. En particulier, on peut, par la compression, amener le fluide intermédiaire dans le deuxième échangeur de chaleur à une température assez haute pour vaporiser le fluide cryogénique sur une surface d'échange thermique réduite et, par la détente, amener le fluide intermédiaire dans le premier échangeur de chaleur à une température positive ou proche de 0°C, légèrement inférieure à la température de l'air ambiant circulant dans cet échangeur, de façon à éviter l'apparition de givre sur cet échangeur.
  • Comme fluide intermédiaire convenant bien avec un tel processus de compression et de détente, on peut utiliser des fluides réfrigérants tels que le dioxyde de carbone (CO2), le propane, le R134a, le R152a ou le R32 ou encore l'ammoniac ou encore des mélanges azéotropiques tels que l'eau ammoniaquée. Le CO2 a l'avantage d'avoir un pouvoir de réchauffement climatique bien inférieur aux autres fluides réfrigérants, donc moins polluant en cas de fuite ou de rejet dans l'environnement. Le CO2 est en outre un fluide naturel, disponible en grande quantité, non inflammable et dont la température de solidification est d'environ -60°C, température qui n'est pas atteinte par le CO2 au cours du procédé selon l'invention, ce qui prévient tout risque de figeage du deuxième échangeur de chaleur. Le CO2 a aussi la particularité, dans les gammes de température et de pression utilisées dans le premier échangeur de chaleur, d'être peu sensible aux variations de pression, c'est-à-dire qu'une faible perte de pression n'a pratiquement pas d'influence sur sa température. Comme on sait que tous les circuits peuvent présenter des fuites, l'utilisation du CO2 permet de maintenir la température quasi-constante dans le premier échangeur même dans des situations de fuites des canalisations.
  • Le fluide intermédiaire peut également être maintenu dans un état sous-critique, se caractérisant par une compression moyenne moins contraignante jusqu'à des pressions comprises entre 40 et 60 bars, puis une détente à une pression comprise entre environ 30 et 35 bars. Avec ce procédé, la température du dioxyde de carbone en entrée du deuxième échangeur est plus faible mais le coefficient d'échange thermique à la surface de cet échangeur est plus élevé dû à la condensation du fluide.
  • L'invention s'étend à un système pour la mise en oeuvre d'un tel procédé de vaporisation d'un fluide cryogénique.
  • D'autres caractéristiques et avantages du système et du procédé de vaporisation d'un fluide cryogénique selon l'invention apparaîtront encore mieux à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation illustrés par les dessins.
    • La figure 1 est une représentation schématique de principe du système selon l'invention.
    • La figure 2 montre schématiquement en coupe un premier échangeur de chaleur de vaporisation du fluide intermédiaire utilisé dans le système selon l'invention.
    • La figure 3 montre schématiquement en perspective une portion d'un tube coaxial d'un deuxième échangeur de chaleur de vaporisation de fluide cryogénique utilisé dans le système selon l'invention.
    • La figure 4 représente un diagramme de Mollier du CO2.
    • La figure 5 est un organigramme indiquant les étapes du procédé selon l'invention.
    • La figure 6 est une représentation schématique de principe d'une variante du système selon l'invention.
    • La figure 7 est une représentation schématique de principe d'une autre variante du système de vaporisation du GNL selon l'invention comportant trois circuits en boucle fermée.
    • La figure 8 représente le diagramme de Mollier du CO2 avec indiqué des cycles du procédé selon l'invention dans les trois circuits en boucle fermée.
  • Sur la figure 1, on a représenté de façon schématique un exemple d'un système de vaporisation 1 pour la mise en oeuvre du procédé de vaporisation d'un fluide cryogénique selon l'invention. Ce fluide cryogénique est en particulier du gaz naturel liquéfié, mais il est évident que le système de vaporisation 1 pourrait être utilisé pour vaporiser un autre fluide cryogénique.
  • Le système de vaporisation 1 selon l'invention comprend un circuit en boucle fermée 2 d'un fluide intermédiaire de transfert de chaleur circulant dans un certain sens de circulation indiqué par la flèche A sur la figure 1 et qui traverse, dans le sens de circulation A, un premier échangeur de chaleur 3 entre l'air ambiant et le fluide intermédiaire conçu pour vaporiser le fluide intermédiaire à température constante, un compresseur 4 du fluide intermédiaire, un deuxième échangeur de chaleur 5 entre le fluide intermédiaire et le fluide cryogénique pour vaporiser ce dernier et un organe de détente 6 du fluide intermédiaire. On a représenté sur la figure 1 l'entrée et la sortie de l'air ambiant dans le premier échangeur de chaleur 3 par des flèches indiquant AIR, et l'entrée en phase liquide et la sortie en phase gazeuse du fluide cryogénique dans le deuxième échangeur de chaleur 5 par des flèches indiquant respectivement L et G.
  • Le système de vaporisation 1 peut comprendre en outre un dispositif accumulateur 14 de fluide intermédiaire disposé entre le premier échangeur de chaleur 3 et le compresseur 4 qui permet de constituer une réserve de fluide intermédiaire afin de sécuriser le fonctionnement du compresseur 4 et d'assurer une quantité suffisante de fluide intermédiaire à l'entrée du deuxième échangeur de chaleur 5.
  • La figure 2 illustre un exemple de l'échangeur de chaleur 3 de vaporisation du fluide intermédiaire. Il comprend un ou plusieurs faisceaux de tubes 7 disposés en plusieurs rangées superposées sensiblement parallèles (représentés en traits interrompus) dans lesquels circule le fluide intermédiaire et autour desquels circule l'air ambiant, l'air ambiant et le fluide intermédiaire n'étant ainsi pas en contact direct. On a porté sur la figure 2 le sens de circulation A du fluide intermédiaire le long des tubes 7. L'air ambiant est pulsé dans le premier échangeur de chaleur 3 par un ou plusieurs ventilateurs 8. De l'humidité contenue dans l'air ambiant peut se condenser sur les tubes 7 du premier échangeur 3 lorsque la surface des tubes 7 est suffisamment froide et être évacuée du premier échangeur 3 par gravité. On choisira de préférence de pulser l'air ambiant par les ventilateurs du haut vers le bas, dans le sens de l'écoulement de l'humidité condensée de sorte à favoriser son évacuation.
  • Le fluide intermédiaire est ici injecté en phase liquide dans l'échangeur de chaleur 3 par une extrémité 9A des tubes 7, puis il circule en ébullition dans les tubes 7 de sorte qu'il se vaporise à température quasi-constante et ressort en phase gazeuse, c'est-à-dire vaporisé, par un autre extrémité 9B, qui est ici adjacente à l'extrémité 9A d'entrée du fluide intermédiaire. Bien entendu, la disposition superposée des tubes 7 est montrée sur la figure 2 qu'à titre d'exemple non limitatif. De la même façon, la position des moteurs et réducteurs des ventilateurs 8 au dessous du faisceau de tubes 7 n'est donnée qu'à titre d'exemple non limitatif. De préférence, les moteurs et réducteurs des ventilateurs 8 pourront être placés au-dessus du niveau des tubes 7 pour éviter tout contact avec l'eau. On pourrait aussi envisager une disposition inclinée (et non perpendiculaire) du faisceau de tubes 7 par rapport au flux d'air des ventilateurs 8 pour diminuer l'encombrement de l'installation. Le fluide intermédiaire entrerait dans les tubes 7 par une extrémité basse 9A et ressortirait des tubes 7 par une extrémité haute 9B ayant un niveau bien plus élevé que l'extrémité 9A.
  • Les tubes 7 de l'échangeur de chaleur 3 comportent de préférence des sections de passage adaptées pour limiter les pertes de pression, en fonction de l'état liquide ou gazeux du fluide intermédiaire. Par exemple, on pourra disposer une première section de passage composée d'un certain nombre de tubes 7 d'un premier diamètre adaptés au fluide intermédiaire liquide (par exemple une rangée de dix tubes 7), puis une deuxième section de passage composée de tubes 7 adaptés au fluide intermédiaire gazeux, ayant un diamètre supérieur au premier diamètre ou de même diamètre mais en plus grand nombre (par exemple deux rangées de dix tubes 7) de sorte à définir un plus grand volume.
  • Les tubes 7 peuvent être composés d'acier, par exemple de l'acier inoxydable ou de l'acier carbone. Ils sont avantageusement munis d'ailettes externes et d'ailettes internes de formes variables (non représentées), les ailettes externes favorisant l'échange thermique entre l'air ambiant et le fluide intermédiaire et permettant un drainage de l'humidité condensée, et les ailettes internes favorisant l'ébullition du fluide intermédiaire en augmentant le nombre de sites de nucléation sur la paroi des tubes 7, ce qui permet de réduire la taille de l'échangeur de chaleur 3. Les ailettes externes sont de préférence en aluminium et l'espacement entre deux ailettes consécutives est de préférence compris entre 1,5 mm et 3 mm pour drainer efficacement l'humidité condensée. La forme et la dimension des ailettes externes peuvent varier d'un tube à l'autre du faisceau de tubes 7. Les ailettes internes peuvent être aussi remplacées par une bosselure ou une surface structurée de la paroi interne des tubes 7. En plus, la surface externe des ailettes peut être traitée chimiquement pour présenter des propriétés hydrofuge et anti-corrosion de façon à favoriser l'écoulement de l'eau et augmenter la durée de vie de l'installation.
  • La figure 3 montre schématiquement une partie du deuxième échangeur de chaleur 5 de vaporisation de fluide cryogénique qui se présente ici sous la forme d'un échangeur coaxial constitué d'un ensemble de tubes 10 formés chacun de deux tubes coaxiaux 11,12. Le fluide cryogénique circule dans le tube interne 11 dans un sens opposé au sens de circulation A, indiqué par la flèche B sur la figure 3, et le fluide intermédiaire circule dans le tube externe 12 autour du tube interne 11 dans le sens de circulation A. Avantageusement, le tube interne 11 de l'échangeur coaxial 10 peut être équipé d'ailettes 13 s'étendant radialement entre les deux tubes 11,12 afin de favoriser les échanges thermiques entre le fluide intermédiaire et le fluide cryogénique. Un matériau isolant (non représenté) peut être disposé autour du tube externe 12 pour limiter les échanges de chaleur avec l'air ambiant et donc les pertes thermiques.
  • Le deuxième échangeur de chaleur 5 peut aussi se présenter sous la forme d'un échangeur de type tube à calandre (non représenté), ou de type à plaque (non représenté), d'une façon généralement connue par l'homme du métier, comprenant chacun des sections de passage différentes adaptées à la densité des fluides le traversant (sous forme liquide ou gazeuse dans l'état supercritique). Dans ces échangeurs, les circulations respectives du fluide intermédiaire et du fluide cryogénique se font également à contre-courant afin d'améliorer les échanges thermiques entre les deux fluides.
  • Le deuxième échangeur de chaleur 5, quelque soit sa forme, est réalisé de préférence en acier enrichi en nickel de sorte à supporter des variations de température élevées.
  • Le compresseur 4 est choisi en fonction de la charge thermique, des gammes de pression et de température et du débit du fluide intermédiaire parmi des compresseurs commerciaux développés récemment, par exemple par la société DORIN, et adaptés pour la compression du fluide intermédiaire dans les gammes de pression et de températures du procédé, et notamment pour la compression du dioxyde de carbone supercritique passant d'une température comprise entre environ -10°C et +15°C à une température entre environ +100°C et +150°C. L'organe de détente 6 peut être une vanne régulée mécaniquement ou électroniquement.
  • Selon l'invention, le fluide intermédiaire de transfert de chaleur peut être avantageusement du dioxyde de carbone (CO2) dont les propriétés thermodynamiques permettent d'optimiser le fonctionnement du système de vaporisation 1 et en particulier de diminuer très fortement la surface d'échange thermique du deuxième échangeur de chaleur 5 nécessaire à la vaporisation du fluide cryogénique. En effet, en considérant pour le CO2, une température d'entrée dans le deuxième échangeur 5 de +150°C et une température de sortie de l'échangeur 5 de 0°C, et pour le fluide cryogénique, une température d'entrée dans l'échangeur 5 de -160°C et une température de sortie de l'échangeur 5 de +2°C, la différence de température logarithmique caractérisant l'échange est de 154°C. Si en revanche, on utilise un autre fluide intermédiaire classique, par exemple de l'eau glycolée, dans une gamme de température d'environ +10°C en entrée de l'échangeur 5 à -7°C en sortie de l'échangeur 5, cette différence de température logarithmique n'est que de 49°C. Ceci signifie, en supposant que cet autre fluide intermédiaire ait des propriétés d'échanges thermiques similaires à celles du CO2, qu'un système de vaporisation 1 selon l'invention utilisant un tel autre fluide nécessiterait un échangeur de chaleur 5 comportant trois fois plus de surface d'échange thermique. En variante, on peut utiliser comme fluide intermédiaire un fluide réfrigérant ayant des propriétés thermodynamiques proches du CO2 pour ce procédé, tel que le propane, le R134a, le R152a ou le R32.
  • On décrit maintenant, en relation avec les figures 4 et 5, le cycle d'étapes du procédé de vaporisation selon l'invention, lorsqu'il est mis en oeuvre dans un système illustré sur la figure 1, en utilisant du CO2 comme fluide intermédiaire et du gaz naturel liquéfié (GNL) comme fluide cryogénique.
  • Sur la figure 4, on a représenté le diagramme de Mollier du CO2 dans lequel est tracé un exemple typique du cycle d'étapes correspondant au procédé selon l'invention et indiquant l'état du CO2 à chaque étape, comme cela est illustré sur la figure 5.
  • Le procédé de vaporisation du GNL selon l'invention comprend donc un cycle qui commence à l'étape 51 par un premier transfert de chaleur dans le premier échangeur de chaleur 3 consistant à fournir au CO2 de la chaleur de l'air ambiant introduit dans l'échangeur de chaleur 3 à une température comprise entre +3°C et +50°C, le CO2 se trouvant à l'entrée 9A dans l'échangeur 3 en phase liquide à une température comprise entre environ -10°C et +15°C. Lors de cette première étape 51 du procédé, le transfert de chaleur de l'air ambiant vers le CO2 permet de vaporiser le CO2 à température et pression constantes, comme on peut le voir sur la figure 4, l'air sortant de l'échangeur 3 étant par conséquent refroidi. En sortie 9B de l'échangeur 3, le CO2 se trouve à une pression comprise entre environ 30 et 50 bars, et toujours à une température comprise entre environ - 10°C et +15°C, ce qui implique que, même si de l'humidité de l'air ambiant se condense à la surface de l'échangeur de chaleur 3, les risques de gel sont très limités, voire supprimés.
  • Le CO2 subit dans le premier échangeur de chaleur 3 un changement de phase (de sa phase liquide à une phase gazeuse) qui apporte plusieurs avantages. D'abord, il permet d'augmenter fortement l'échange de chaleur entre l'air ambiant et le CO2. En outre, grâce à ce changement de phase, on peut contrôler la température dans l'échangeur 3 simplement par une régulation de la pression du CO2 en sortie du premier échangeur de chaleur 3. Enfin, lors de ce changement de phase, le CO2 est peu sensible aux variations de pression : par exemple, si le CO2 subit une perte de pression d'environ 1 bar entre son entrée 9A et sa sortie 9B dans l'échangeur de chaleur 3, la température n'est abaissée que d'environ 1 °C entre l'entrée 9A et la sortie 9B du CO2 dans cet échangeur 3.
  • En sortie de l'échangeur de chaleur 3, le CO2 sous sa phase gazeuse peut être accumulé à l'étape 52 dans le dispositif accumulateur 14, dont la taille est adaptée au volume de la boucle 2 de fluide intermédiaire, avant d'être comprimé à l'étape 53 à une pression comprise entre environ 80 et 130 bars, pour être réchauffé jusqu'à une température comprise entre environ +100°C et +150°C comme on peut le voir sur la figure 4. La pression du CO2 étant alors supérieure à la pression critique, le CO2 se trouve sous sa forme supercritique.
  • Ensuite, le CO2 supercritique est amené à l'étape 54 dans l'échangeur de chaleur 5 pour fournir sa chaleur au GNL entré en phase liquide L (voir figure 1) à une température d'environ -160°C, en quantité telle que le GNL est vaporisé et réchauffé jusqu'à une température comprise entre environ +2°C et +20°C en sortie G de l'échangeur 5 (voir figure 1). Lors de cette étape 54, le CO2 est refroidi jusqu'à une température comprise entre environ 0°C et -10°C par le transfert de chaleur du CO2 vers le GNL, comme on peut le voir sur la figure 4.
  • Enfin, à l'étape 55, le CO2 est détendu à enthalpie constante jusqu'à une pression comprise entre environ 30 et 50 bars dans l'organe de détente 6, comme on peut le voir sur la figure 4. La pression du CO2 à la fin de l'étape de détente 55 est régulée de sorte à obtenir une température du CO2 comprise entre environ -10°C et +15°C. Le procédé se poursuit en boucle en revenant à l'étape 51.
  • Ainsi, la température du CO2 évolue entre environ +150°C et -10°C au cours d'un cycle, ce qui est largement au-dessus de la température de solidification du CO2 qui est d'environ -60°C, permettant ainsi de prévenir tout risque de figeage du CO2 dans le deuxième échangeur de chaleur 5.
  • Pour des températures de l'air ambiant inférieures à +5°C, la perte liée à la faible amplitude de température exploitable sur l'air (entre l'entrée et la sortie du premier échangeur de chaleur 3) peut être avantageusement compensée par une élévation du débit de fluide intermédiaire dans le circuit 2 d'une part et du débit des ventilateurs 8 faisant circuler l'air ambiant dans le premier échangeur de chaleur 3 d'autre part. Le procédé selon l'invention est donc exploitable pour une température de l'air ambiant comprise entre environ +3°C et +50°C.
  • Pour une température de l'air ambiant inférieure à +3°C, on peut prévoir une boucle additionnelle de chauffage (non représenté) du fluide intermédiaire.
  • Par ailleurs, l'air refroidi en sortie du premier échangeur de chaleur 3 peut être avantageusement utilisé dans un autre échangeur pour le refroidissement d'un fluide de travail (de l'eau par exemple) d'un système de production d'électricité (à partir d'une turbine à gaz par exemple).
  • La figure 6 montre une variante du système de vaporisation selon l'invention comportant un échangeur interne 15 interposé entre la sortie (de fluide intermédiaire) de l'échangeur 5 (soit sur le circuit haute pression de CO2 en amont de l'organe de détente 6) et la sortie (de fluide intermédiaire) de l'échangeur 3 (soit sur le circuit basse pression de CO2 en amont du compresseur 4). La présence de cet échangeur 15 permet d'améliorer le coefficient de performance de la boucle de CO2 en augmentant la quantité d'énergie utilisable pour l'échange thermique (ceci peut être compris par la différence d'enthalpie exploitable plus importante lorsque cet échangeur est présent dans la boucle) par rapport à l'énergie utilisée pour la compression du fluide. De plus la présence de cet échangeur 15 permet au CO2 de rentrer dans le compresseur 4 à une température supérieure (de l'ordre de 10 à 20°C) et donc pour le même rapport de compression, de sortir du compresseur à une température plus importante (de l'ordre de 10 à 20°C). De ce fait, le CO2 entrant dans l'échangeur 5 de vaporisation du fluide cryogénique sera à une température supérieure et l'échange thermique sera plus efficace, ce qui pourra se traduire par une surface d'échangeur moindre. L'échangeur interne 15 peut être un échangeur coaxial tel que montré sur la figure 3 avec une circulation des fluides à contre courant. Le CO2 qui se trouve à la pression la plus élevée est idéalement introduit dans le tube central tandis que le CO2 à basse pression circule dans le tube extérieur entourant le tube central.
  • La figure 7 montre une autre variante du système de vaporisation 1 selon l'invention comportant trois circuits de CO2 en boucle fermée 2,20,30 du fluide intermédiaire de transfert de chaleur, ici du CO2, circulant, dans chaque boucle, dans un certain sens de circulation indiqué respectivement par les flèches A,A2,A3.
  • Dans le premier circuit de CO2 en boucle fermée 2, le CO2 traverse, de la même manière que décrit précédemment en relation avec la figure 1, dans le sens de circulation A, d'abord le premier échangeur de chaleur 3, puis le compresseur 4, le deuxième échangeur de chaleur 5 et l'organe de détente 6. Le passage de l'air ambiant dans le premier échangeur de chaleur 3 est représenté par une flèche indiquant AIR, et l'entrée en phase liquide ou supercritique et la sortie en phase gazeuse du fluide cryogénique, ici du GNL, dans le deuxième échangeur de chaleur 5 sont représentées par des flèches indiquant respectivement L et G.
  • Ce premier circuit 2 a pour but de vaporiser le GNL grâce à un échange de chaleur avec du CO2 comprimé dans le compresseur 4 et d'obtenir du GNL avec une température positive en sortie G, comme le procédé décrit plus haut en relation avec la figure 5.
  • Dans un deuxième circuit de CO2 en boucle fermée 20 en amont du premier circuit 2 de CO2, le CO2 traverse, dans le sens de circulation A2, un quatrième échangeur de chaleur 21 entre l'air ambiant et le CO2, un cinquième échangeur de chaleur 23 entre le CO2 et le GNL, et une pompe 24 de type électrique ou autre. Le CO2 est amené du quatrième échangeur de chaleur 21 au cinquième échangeur de chaleur 23 par des conduits classiques, connus en tant que tels par l'homme du métier. Le cinquième échangeur de chaleur 23 est ici raccordé en série avec le deuxième échangeur de chaleur 5 pour réaliser un préchauffage du GNL, l'entrée du GNL (en phase liquide ou supercritique) dans le cinquième échangeur de chaleur 23 étant représentée sur la figure 7 par une flèche indiquant L2 et la sortie du GNL réchauffé (toujours en phase liquide ou supercritique) étant indiquée par la flèche L.
  • Ce deuxième circuit 20 permet de préchauffer le GNL par un échange de chaleur avec du CO2 avec une consommation électrique faible et un cout optimisé. Le GNL arrive en L dans le premier circuit 2 ce qui permet de réduire la plage de compression du CO2 nécessaire pour atteindre une pression et une température du CO2 suffisante pour vaporiser le GNL.
  • Dans un troisième circuit de CO2 en boucle fermée 30, en amont du deuxième circuit 20 de CO2, le CO2 traverse, dans le sens de circulation A3, un sixième échangeur de chaleur 31 entre l'air ambiant et le CO2, une turbine 33 apte à utiliser une différence de pression du CO2 pour produire de l'énergie électrique, un septième échangeur de chaleur 34 entre le CO2 et le GNL, et une pompe 35 de type électrique ou autre. Le septième échangeur de chaleur 34 est ici raccordé en série avec le cinquième échangeur de chaleur 23 pour réaliser un autre préchauffage du GNL, l'entrée du GNL (en phase liquide) dans le septième échangeur de chaleur 34 étant représentée sur la figure 7 par une flèche indiquant L3 et la sortie du GNL réchauffé (en phase liquide ou supercritique) étant indiquée par la flèche L2.
  • Ce troisième circuit 30 permet de réaliser un préchauffage du GNL tout en utilisant la différence de pression du CO2 dans le cycle pour faire tourner la turbine 33 et produire de l'énergie électrique, qui sera utilisable dans diverses parties du système 1 (pompes, compresseurs, ventilateurs, etc.).
  • Dans chaque circuit 2,20,30, l'air ambiant est pulsé dans les échangeurs de chaleur 3,21,31 par des ventilateurs respectifs 8,22,32 au niveau des flèches indiquant AIR sur la figure 7.
  • On décrit maintenant, en relation avec la figure 8 qui représente le diagramme de Mollier du CO2, trois cycles d'étapes C1,C2,C3 du procédé de vaporisation selon l'invention, lorsqu'il est mis en oeuvre dans un système illustré sur la figure 7 comprenant trois circuits en boucle fermée 2,20,30, en utilisant du CO2 comme fluide intermédiaire et du GNL comme fluide cryogénique. On comprendra que le système de vaporisation 1 selon l'invention fonctionne de préférence avec les trois circuits en boucle fermée 2,20,30, mais peut aussi fonctionner avec seulement le premier et le deuxième circuits en boucle fermée 2,20, ou encore avec le premier circuit 2 seul comme cela sera précisé ci-dessous.
  • Le GNL liquide est introduit d'abord dans le troisième circuit 30 à une température d'environ -160°C et une pression d'environ 90 bars dans le septième échangeur de chaleur 34, au niveau de la flèche L3 sur la figure 7, pour y être réchauffé par échange de chaleur avec le CO2 dans l'échangeur 34 jusqu'à une température comprise entre -55°C et -30°C en sortie L2, le GNL étant alors dans un état supercritique.
  • Dans le troisième circuit 30, le CO2 subit un cycle C1 (représenté en traits interrompus sur la figure 8) commençant à l'étape 81 par un transfert de chaleur dans l'échangeur de chaleur 31 consistant à fournir au CO2 se trouvant à l'entrée de l'échangeur 31 en phase liquide à une température comprise entre environ - 5°C et 0°C et à une pression comprise entre 30 et 35 bars, de la chaleur de l'air ambiant introduit dans l'échangeur de chaleur 31 à une température d'au moins +5°C. Cette étape 81, comme l'étape 51 précédemment décrite, a pour but de vaporiser le CO2 à température et pression constantes, comme on peut le voir sur la figure 8, l'air sortant de l'échangeur 31 étant par conséquent refroidi.
  • En sortie de l'échangeur de chaleur 31, le CO2 gazeux est amené dans la turbine 33 dans laquelle le CO2 subit à l'étape 82 une chute de pression jusqu'à entre environ 7 et 15 bars et une chute de température jusqu'à entre environ - 50°C et -25°C. La différence de pression du CO2 dans la turbine est donc élevée ce qui permet de récupérer une grande quantité d'énergie électrique.
  • Ensuite, le CO2 gazeux est amené dans le septième échangeur de chaleur 34 pour fournir de la chaleur et réchauffer à l'étape 83 le GNL liquide entré en L3 dans l'échangeur 34. Lors de l'étape 83, le CO2 passe de l'état gazeux à un état liquide, à température et pression constantes.
  • Enfin, à l'étape 84, le CO2 est pompé en direction du sixième échangeur 31, de sorte que sa pression augmente jusqu'à entre environ 30 et 35 bars et sa température augmente jusqu'à entre environ -5°C et 0°C, et le CO2 se trouve à l'état liquide. Le procédé se poursuit en boucle en revenant à l'étape 81.
  • A l'issu de ce circuit 30, le GNL supercritique sort du septième échangeur de chaleur 34 en L2 pour être conduit dans le deuxième circuit 20 où il est réchauffé par un échange de chaleur avec du CO2 dans le cinquième échangeur 23 jusqu'à atteindre une température comprise entre -15°C et -7°C en sortie L de l'échangeur 23, le GNL étant alors dans un état supercritique.
  • Dans ce deuxième circuit 20, le CO2 subit un cycle C2 (représenté en trait plein sur la figure 8) commençant à l'étape 91, comme à l'étape 81 précédemment décrite, par un transfert de chaleur dans le quatrième échangeur de chaleur 21 consistant à fournir au CO2 de la chaleur de l'air ambiant introduit dans l'échangeur de chaleur 21 à une température d'au moins +5°C, le CO2 étant liquide à l'entrée de l'échangeur 21 à une température comprise entre environ -5°C et 0°C, et une pression comprise entre 30 et 35 bars. Cette étape 91 permet de vaporiser le CO2 à température et pression constantes, l'air sortant de l'échangeur 21 étant refroidi.
  • En sortie de l'échangeur de chaleur 21, le CO2 en phase gazeuse est amené à l'étape 92 jusqu'au cinquième échangeur de chaleur 23 dans des conduits dans lesquels le CO2 subit une faible perte de pression jusqu'à entre environ 25 bars et 33 bars, et une baisse de température jusqu'à entre environ - 10°C et -2°C. Dans le cinquième échangeur de chaleur 23, le CO2 fournit de la chaleur et réchauffe à l'étape 93 le GNL liquide entré en L2 dans l'échangeur 23. Lors de cette étape 93, le CO2 passe de l'état gazeux à un état liquide, à température et pression constantes. Enfin, à l'étape 94, le CO2 est pompé en direction du quatrième échangeur 21 et passe de l'état gazeux à l'état liquide, sa pression augmente jusqu'à entre environ 30 et 35 bars et sa température augmente jusqu'à entre environ -5°C et 0°C. Le procédé se poursuit en boucle en revenant à l'étape 91.
  • En sortie du circuit 20, le GNL supercritique sort du cinquième échangeur de chaleur 23 en L à une température comprise entre environ -15°C et -7°C pour être conduit dans le premier circuit 2 où il est réchauffé et vaporisé par échange de chaleur avec du CO2 dans le deuxième échangeur de chaleur 5 jusqu'à atteindre une température comprise entre 0°C et +15°C en sortie G de l'échangeur 5.
  • Dans le premier circuit 2, le CO2 subit un cycle C3 (représenté en traits pointillés sur la figure 8) commençant à l'étape 101, comme à l'étape 81 ou 91 précédemment décrite, par un transfert de chaleur dans le premier échangeur de chaleur 3 consistant à fournir au CO2 de la chaleur de l'air ambiant introduit dans l'échangeur de chaleur 3 à une température d'au moins +5°C, le CO2 étant liquide à l'entrée de l'échangeur 3 à une température comprise entre environ - 5°C et 0°C, et une pression comprise entre 30 et 35 bars. Cette étape 101 permet de vaporiser le CO2 à température et pression constantes, l'air sortant de l'échangeur 3 étant refroidi.
  • En sortie de l'échangeur de chaleur 3, le CO2 en phase gazeuse est comprimé à l'étape 102 jusqu'à une pression comprise entre environ 40 et 60 bars, pour être réchauffé jusqu'à une température comprise entre environ 5°C et 20°C. Le CO2 est alors amené dans l'échangeur de chaleur 5 pour fournir à l'étape 103 de la chaleur au GNL entré en L à une température d'environ -15°C, en quantité telle que le GNL est vaporisé et réchauffé jusqu'à une température comprise entre environ 0°C et +15°C en sortie G de l'échangeur 5. Lors de l'étape 103, le CO2 passe de l'état gazeux à un état liquide, à température et pression constantes. Enfin, le CO2 est amené à l'organe de détente 6 pour être détendu à l'étape 104 à enthalpie constante jusqu'à une pression comprise entre environ 30 et 35 bars, et une température comprise entre environ -5°C et 0°C. Le procédé se poursuit en boucle en revenant à l'étape 101.
  • Dans le premier circuit 2 de CO2, le CO2 peut également subir un cycle dit supercritique comme décrit plus haut en relation avec la figure 4.
  • Au cours du procédé selon l'invention, la pression du GNL est régulée de sorte à rester quasi-constante et diminue seulement d'environ 90 bars à l'entrée L3 du troisième circuit 30 à environ 88 bars en sortie G du premier circuit 2.
  • L'avantage de ce procédé en trois cycles C1,C2,C3 successifs est qu'il permet, en diminuant la plage de compression du CO2 à l'étape 102 (par rapport à l'étape 53 du procédé décrit plus haut en relation avec la figure 5), de diminuer fortement la consommation d'énergie électrique dans le cycle C3. Le circuit C2 permet d'amener du GNL à une température assez élevée dans le circuit C3 pour permettre cette diminution de la compression du CO2. Enfin, l'avantage du circuit C1 est de permettre d'utiliser une partie de l'énergie du CO2 pour produire de l'électricité, ce qui réduit la dépendance énergétique des autres circuits C2,C3. L'ensemble des circuits C1,C2,C3 consomme moins d'énergie et est plus efficace que le circuit C3 seul.
  • On peut mettre en oeuvre le procédé selon l'invention dans seulement les circuits C2,C3 avec les mêmes plages de pression et de température pour le CO2 à chaque étape. Dans ce cas, le GNL est introduit directement en L2 dans le cinquième échangeur de chaleur 23 du circuit C2 à une température d'environ -160°C, et ressort en L à une température d'environ -15°C à -7°C avant d'être introduit dans le deuxième échangeur de chaleur 5. Le circuit C2 étant un circuit sans compresseur, avec une pompe 24 classique, le coût total des circuits C2 et C3 est avantageux par rapport au circuit C3 seul.
  • On peut aussi mettre en oeuvre le procédé selon l'invention dans le circuit C3 seulement avec les mêmes plages de pression et de température pour le CO2 à chaque étape. Dans ce cas, le GNL est introduit directement en L dans le deuxième échangeur de chaleur 5 du circuit C3 à une température d'environ - 160°C, et ressort vaporisé en G à une température d'environ 0°C à +15°C. Ce procédé permet une moindre consommation d'énergie que le procédé décrit plus haut en relation avec les figures 1 et 4 qui nécessite une compression du CO2 à au moins environ 80 bars.
    On comprendra que les quatrième et sixième échangeurs de chaleur 21,31 entre l'air et le CO2 sont similaires au premier échangeur de chaleur 3, et que les cinquième et septième échangeurs de chaleur 23,34 entre le GNL et le CO2 sont similaires au deuxième échangeur de chaleur 5.

Claims (13)

  1. Procédé de vaporisation d'un fluide cryogénique, notamment du gaz naturel liquéfié, selon lequel on fait circuler un fluide intermédiaire de transfert de chaleur dans un circuit (2) en boucle fermée traversant un premier échangeur de chaleur (3) entre de l'air ambiant et ledit fluide intermédiaire pour fournir de la chaleur (51) de l'air ambiant audit fluide intermédiaire et un deuxième échangeur de chaleur (5) entre ledit fluide cryogénique et ledit fluide intermédiaire pour fournir de la chaleur (54) dudit fluide intermédiaire audit fluide cryogénique de façon à vaporiser ledit fluide cryogénique, ledit fluide intermédiaire étant amené dans ledit deuxième échangeur de chaleur (5) après avoir été comprimé (53) et étant amené dans ledit premier échangeur de chaleur (3) après avoir été détendu (55), caractérisé en ce qu'on fait subir audit fluide intermédiaire un changement de phase à température quasi-constante dans ledit premier échangeur de chaleur (3), ledit fluide intermédiaire entrant dans ledit premier échangeur de chaleur (3) en phase liquide et sortant dudit premier échangeur de chaleur (3) en phase gazeuse.
  2. Procédé de vaporisation d'un fluide cryogénique selon la revendication 1, selon lequel ledit fluide intermédiaire est choisi parmi des fluides réfrigérants tels que le propane, le dioxyde de carbone (CO2), le R134a, le R152a ou le R32.
  3. Procédé de vaporisation d'un fluide cryogénique selon la revendication 1 ou 2, selon lequel ledit fluide intermédiaire est du dioxyde de carbone (CO2) et ledit fluide intermédiaire est détendu (55) dans un organe (6) de détente à enthalpie constante.
  4. Procédé de vaporisation d'un fluide cryogénique selon la revendication 3, selon lequel le CO2 est comprimé (53) à une certaine pression élevée comprise entre environ 80 et 130 bars pour être amené à un état supercritique et est détendu (55) à une pression comprise entre environ 30 et 50 bars.
  5. Procédé de vaporisation d'un fluide cryogénique selon la revendication 3, selon lequel le CO2 est comprimé (102) à une certaine pression moyenne comprise entre environ 40 et 60 bars pour être maintenu dans un état sous-critique et est détendu (104) à une pression comprise entre environ 30 et 35 bars.
  6. Procédé de vaporisation d'un fluide cryogénique selon l'une des revendications précédentes, selon lequel le fluide intermédiaire est accumulé dans un dispositif d'accumulation (14) du fluide intermédiaire disposé selon le sens de circulation (A) entre le premier échangeur de chaleur (3) et le compresseur (4).
  7. Procédé de vaporisation d'un fluide cryogénique selon l'une des revendications précédentes, selon lequel le fluide intermédiaire circule dans un faisceau de tubes (7) dudit premier échangeur de chaleur (3), lesdits tubes (7) étant disposés en plusieurs rangées et munis d'ailettes externes et éventuellement d'ailettes internes.
  8. Procédé de vaporisation d'un fluide cryogénique selon la revendication 7, selon lequel le fluide intermédiaire circule dans une première section de passage desdits tubes (7) définissant un premier volume et dans une deuxième section de passage desdits tubes (7) définissant un deuxième volume plus grand que ledit premier volume pour limiter les pertes de pression en fonction de l'état liquide ou gazeux du fluide intermédiaire.
  9. Procédé de vaporisation d'un fluide cryogénique selon l'une des revendications 7 ou 8, selon lequel l'air ambiant est pulsé par au moins un ventilateur (8) du haut vers le bas autour desdits tubes (7) dudit premier échangeur de chaleur (3).
  10. Procédé de vaporisation d'un fluide cryogénique selon l'une des revendications précédentes, selon lequel le deuxième échangeur de chaleur est du type à tubes coaxiaux (11,12) à ailettes (13), ou à tube à calandre ou à plaques.
  11. Procédé de vaporisation d'un fluide cryogénique selon l'une des revendications précédentes, selon lequel on fait circuler ledit fluide intermédiaire dans un troisième échangeur de chaleur (15) interposé entre une sortie du deuxième échangeur de chaleur (5) et une sortie du premier échangeur de chaleur (3).
  12. Procédé de vaporisation d'un fluide cryogénique selon l'une des revendications précédentes, selon lequel on fait circuler du fluide intermédiaire dans un deuxième circuit en boucle fermée (20) traversant un quatrième échangeur de chaleur (21) entre de l'air ambiant et ledit fluide intermédiaire et un cinquième échangeur de chaleur (23) entre ledit fluide intermédiaire et ledit fluide cryogénique, ledit cinquième échangeur de chaleur (23) étant raccordé en série avec ledit deuxième échangeur de chaleur (5) pour réaliser un préchauffage dudit fluide cryogénique.
  13. Procédé de vaporisation d'un fluide cryogénique selon l'une des revendications précédentes, selon lequel on fait circuler du fluide intermédiaire dans un troisième circuit en boucle fermée (30) traversant un sixième échangeur de chaleur (31) entre de l'air ambiant et ledit fluide intermédiaire, un septième échangeur de chaleur (34) entre ledit fluide intermédiaire et ledit fluide cryogénique et une turbine (33) apte à utiliser une différence de pression dudit fluide intermédiaire pour produire de l'énergie électrique, ledit septième échangeur de chaleur (34) étant raccordé en série avec ledit cinquième échangeur de chaleur (23) pour réaliser un autre préchauffage dudit fluide cryogénique.
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