EP4264152A1 - Dispositif et procédé de pré-refroidissement d'un flux d'un gaz - Google Patents

Dispositif et procédé de pré-refroidissement d'un flux d'un gaz

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EP4264152A1
EP4264152A1 EP21836447.9A EP21836447A EP4264152A1 EP 4264152 A1 EP4264152 A1 EP 4264152A1 EP 21836447 A EP21836447 A EP 21836447A EP 4264152 A1 EP4264152 A1 EP 4264152A1
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EP
European Patent Office
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flow
pressure
refrigerant
gas
stream
Prior art date
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Pending
Application number
EP21836447.9A
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German (de)
English (en)
Inventor
Florian JALIA
Hamza FILALI
Audrey HUBERT
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Engie SA
Original Assignee
Engie SA
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/14—External refrigeration with work-producing gas expansion loop
    • F25J2270/16—External refrigeration with work-producing gas expansion loop with mutliple gas expansion loops of the same refrigerant

Definitions

  • the present invention relates to a device for pre-cooling a flow of a gas and a method for pre-cooling a flow of a gas. It applies, for example, to the field of cooling a gas, prior to its liquefaction, and in particular of hydrogen.
  • the liquefaction process is divided into three main temperature technological blocks: compression, pre-cooling and refrigeration.
  • pre-cooling is to lower the inlet temperatures located between 273 K and 320 K of the fluid of interest and of the fluid used for refrigeration in the following block, down to a so-called pre-cooling temperature located between 78 K and 120K.
  • the pre-cooling operation is carried out using liquid nitrogen flowing in the opposite direction in a heat exchanger. This enters at a temperature of approximately 78 K, exits at ambient temperature and is released into the atmosphere.
  • Another known process aims to recycle the nitrogen used by cooling it using a series of compressions, cooling with a final expansion allowing the temperature of the gas to be reduced to approximately 80 K. using the heat exchanger, the fluids to be cooled are also brought to about 80 K.
  • MRC Mixed-Refrigerant Cycle, translated by “Mixed Refrigeration Cycle”
  • refrigerant a mixture of hydrocarbons and nitrogen whose composition varies according to the publications and patents .
  • the liquid nitrogen open loop has the disadvantage of involving logistical management of its nitrogen supply and storage and of having low energy performance (about 3.5 to 4.5 kWh/kg LH2). Its economic and practical advantage is justified in the context of small production of less than 5 tons per day but is unviable and operationally complex beyond that. Beyond a certain capacity, for example greater than 5 or 10 tonnes per day and depending on the choice of technology, the need in quantity of liquid nitrogen is not suitable for an economically viable supply chain.
  • Patent applications US 5,579,655 and US 2019/063,824 are known, which disclose devices, in a closed nitrogen cycle, for pre-cooling hydrogen.
  • these devices require the use of liquid nitrogen, separated from gaseous nitrogen by means of a phase separator, in the flow of refrigerant fluid.
  • Patent applications US 2015/204 603 and US 2014/245 780 are also known, which disclose devices, in a closed nitrogen cycle, for liquefying natural gas in order to obtain liquefied natural gas. However, these devices do not allow pre-cooling without liquefaction of the natural gas.
  • the MRC solution optimizes the energy efficiency of the cycle but adds complexity in the management of the many constituents of the refrigerant ranging from 4 to 15. This is in particular due to the fact that the composition is changing throughout the service life. of the process due to leaks. It is then necessary to reconstitute the initial composition by introducing the various hydrocarbons which it will have been necessary to store beforehand. In addition, hydrocarbon gas leaks are major factors in greenhouse gas emissions.
  • the present invention aims to remedy all or part of these drawbacks.
  • the present invention relates to a device for precooling a flow of a gas, which comprises:
  • refrigerant flow - downstream of a first refrigerant flow compressor, a first pressure reducer for at least part of a gaseous flow comprising at least nitrogen, called "refrigerant flow"
  • the device which is the subject of the present invention carries out the precooling in a dual pressure loop.
  • the refrigerant flow at medium pressure makes it possible to reduce the destruction of energy (and therefore to reduce the energy losses) occurring in the first exchanger due to a very significant difference between the inlet temperature of the fluid cold and the outlet temperature of the hot fluid.
  • the invention makes it possible to avoid the integration of an additional compressor to bring the flow from medium to high pressure.
  • the invention is of interest in cases of production requiring autonomy of operation because it does away with a regular supply of liquid nitrogen.
  • the technology becomes interesting when the cost of purchasing and transporting liquid nitrogen is higher than the additional cost of equipment due to the invention.
  • the solution has the advantage of maintaining the use of nitrogen, the toxicity and safety aspects of which present less danger than those of mixed refrigerants based on hydrocarbons.
  • the invention is also better suited for deployment in a peri-urban environment.
  • the separator is positioned downstream of a passage of the refrigerant flow from the first compressor in the first exchanger, the first expansion valve being positioned between the first exchanger and the separator.
  • the separator is positioned upstream of the passage of the refrigerant flow from the first compressor into the first exchanger, the expansion valve being configured to expand the refrigerant flow at medium pressure, said expansion valve being positioned between the separator and the first exchanger .
  • the method which is the subject of the present invention comprises, upstream of the first compressor, a set of at least one second compressor of the flow of refrigerant at low pressure at the outlet of the first heat exchanger, the set of at least one second compressor being configured so that the flow of low-pressure refrigerant is brought to a pressure equivalent to the pressure of the medium-pressure refrigerant flow at the outlet of the first heat exchanger.
  • This solution also makes it possible to reduce the volume flow of the compressors of the set of compressors by 30% and therefore to reduce the energy consumption by the same amount (presenting for example a "Specific Energy Consumption", abbreviated SEC and translated by specific consumption of energy, approximately 1.8 kWh/kg LH2) and the initial investment in equipment.
  • SEC Specific Energy Consumption
  • the price of the complete nitrogen compression section with one compressor is lower than that of two compressors with smaller flows dedicated respectively to medium and low pressure flows.
  • the third heat exchanger is a catalytic exchanger.
  • the first exchanger is not a catalytic exchanger and the second exchanger and the third exchanger are combined in a single exchanger.
  • the method that is the subject of the present invention comprises a mixer of the expanded low-pressure refrigerant stream and the medium-pressure refrigerant stream at the outlet of the first heat exchanger to form a unitary refrigerant stream, the unitary stream being supplied to the first compressor.
  • the first compressor is configured to produce a high-pressure refrigerant stream having a pressure between 40 and 60 bara.
  • the first expander is configured to produce a medium-pressure refrigerant stream having a pressure of between 15 and 23 bara.
  • the second expander is configured to produce a low-pressure refrigerant flow having a pressure of between 1 and 2 bara. These embodiments present optimal operating conditions for the liquefaction of hydrogen.
  • the method that is the subject of the present invention comprises a gas flow rate sensor and a refrigerant flow rate regulator, the flow rate regulator being configured so that the refrigerant flow rate is equal to 26 at 40 times the gas flow.
  • the pre-cooled gas is dihydrogen
  • the pre-cooled gas has a temperature between 70 K and 120 K.
  • the pre-cooled gas has a temperature between 78 K and 82 K.
  • the present invention relates to a process for precooling a flow of a gas, which comprises:
  • refrigerant stream a first stage of compression of a gas stream comprising at least nitrogen
  • FIG. 1 shows, schematically, a first particular embodiment of the device that is the subject of the present invention
  • FIG. 2 represents, schematically and in the form of a flowchart, a particular succession of steps of the method which is the subject of the present invention
  • FIG. 3 shows, schematically, a second particular embodiment of the device that is the subject of the present invention.
  • FIG. 4 shows, schematically, a third particular embodiment of the device object of the present invention.
  • the fluid to be cooled is preferably a gas and, even more preferably, hydrogen.
  • the fluid to be cooled can also be nitrogen, neon, or helium in gaseous form. In the rest of the description, when hydrogen is mentioned, it is the gas to be cooled. Hydrogen can be replaced by nitrogen, neon, or helium.
  • a cooled gas refers to a gas having a temperature between 70 K and 120 K and preferably between 78 K and 82 K.
  • flow comprising at least nitrogen any fluid flow comprising at least 75% nitrogen.
  • a flow can be air, for example, or consist of pure nitrogen.
  • gas flow is interpreted in the broad sense and refers to a flow of fluid present in the gaseous or supercritical state.
  • the supercritical state is reached when the temperature and pressure conditions are each greater than the values defined in a phase diagram.
  • the temperature and pressure conditions delimiting the supercritical state according to the nature of the fluid are summarized in table 1 below:
  • Te and Pc correspond respectively to the critical temperature and the critical pressure.
  • nitrogen with a temperature of 221 K at 50 bara is in the supercritical state, while nitrogen with a temperature of 221 K at 33 bara is in the gaseous state.
  • FIG. 1 A diagrammatic view of an embodiment of the device 100 object of the present invention is observed in FIG. 1, which is not to scale.
  • this device 100 forms the pre-cooling device of a larger system (not referenced) comprising the systems for transporting, cooling and compressing the fluid to be pre-cooled.
  • this system includes:
  • the low-pressure 1020 and medium-pressure 1015 cooling fluid flows passing successively through the second heat exchanger 110, the third heat exchanger 115 and the first heat exchanger 105 before to reach a stage 1005 of compression and
  • Said compression stage comprising an outlet for high pressure cooling fluid 1030, the flow of high pressure cooling fluid passing successively through the first heat exchanger 105, the third heat exchanger 1 15 and the second heat exchanger 110 .
  • devices of the same type may not be distinct devices but stages of a single device for all or part of the devices of a given type.
  • the first exchanger 105, the second exchanger 110 and the third exchanger 115 can correspond to three distinct stages of a single exchanger.
  • the second exchanger 110 is absent from the device
  • the device 100 for pre-cooling a flow of a fluid comprises:
  • refrigerant flow a first expander 130 of at least part of a flow comprising at least nitrogen
  • the separator 135 is positioned downstream of the passage of the refrigerant flow 125 from the first compressor 155 in the first exchanger 105, the expansion valve 130 being positioned between the first exchanger 105 and the separator 135.
  • the gaseous refrigerant flow has, for example, a temperature of the order of 221 K at 50 bara. It is noted that a gaseous refrigerant stream comprising at least nitrogen is in the supercritical state under temperature and pressure conditions respectively equal to 221 K and 50 bara.
  • the first expander 130 is, for example, an expansion turbine, or turboexpander. This first expansion valve 130 receives, at the inlet, the flow of high pressure refrigerant having passed through the first exchanger 105 to be cooled or to reduce its temperature after compression.
  • the first expansion valve 130 is configured, for example, to produce a gaseous refrigerant flow at medium pressure having a pressure of between 15 and 23 bara.
  • the expansion carried out brings the gaseous refrigerant flow to a pressure of 19 bara and a temperature of 169 K. It is noted that an expanded gaseous refrigerant flow and comprising at least nitrogen is in the gaseous state in the pressure and temperature conditions respectively equal to 19 bara and 169 K.
  • the flow leaving the first regulator 130 is separated in the separator 135.
  • This separator 135 is, for example, a tee provided with valves allowing the servo-control of the separator 135.
  • any type of separator known to a person skilled in the art may be used depending on the nature of the implementation of the device 100.
  • This separator 135 is defined, functionally, by its ability to form the following two streams:
  • the separation ratio between the flows i.e. the proportion of medium pressure flow compared to low pressure flow can be fixed or variable. This ratio can be controlled according to a flow rate measured by a flow rate sensor (not shown) of the flow 140 at medium pressure.
  • the medium-pressure refrigerant stream 140 is returned to the first heat exchanger 105 to participate in the exchanges taking place there, while the low-pressure refrigerant stream 145 is supplied to the second expansion valve 150.
  • This second expander is, for example, an expansion turbine, or turboexpander.
  • the second regulator 150 is configured to produce, for example, a gaseous refrigerant flow at low pressure having a pressure of between 1 and 2 bara.
  • the second expansion valve 150 is configured to carry the low-pressure gaseous refrigerant stream having a pressure of 1.4 bara and a temperature of 84 K. It is noted that a low-pressure gaseous refrigerant stream comprising at least Nitrogen is in the gaseous state under pressure and temperature conditions respectively equal to 1.4 bara and 84 K.
  • the low pressure refrigerant flow 145 is supplied to the second heat exchanger 110.
  • This second heat exchanger 110 is, for example, a plate, spiral, tube, tube bundle or finned exchanger.
  • this low-pressure refrigerant stream 145 is directed to the third heat exchanger 115.
  • This third heat exchanger 115 is, for example, a plate, spiral, tube, tube bundle or finned exchanger. In variants, the third heat exchanger 115 is a catalytic exchanger.
  • this low-pressure refrigerant stream 145 is directed to the first heat exchanger 105 .
  • This first heat exchanger 105 is, for example, a plate, spiral, tube, tube bundle or finned exchanger.
  • this low-pressure refrigerant stream 145 is directed to the first compressor 155, together with the medium-pressure refrigerant stream 140 at the outlet of the first exchanger 105 heat.
  • the first compressor 155 is, for example, a turbocharger (“turbo-compressor”, in English), a mechanical or reciprocating compressor.
  • the first compressor 155 is configured to produce a high pressure gaseous refrigerant stream having a pressure of between 40 and 60 bara.
  • the device 100 object of the present invention comprises an absorption column, catalytic or not, positioned at the outlet of the second exchanger 110 in the direction of the fluid to be cooled.
  • the high pressure refrigerant flow 125 is formed again and sent to the first heat exchanger 105 .
  • the gaseous refrigerant stream comprising at least nitrogen, downstream from the first compressor 155 and upstream from the first expander 130 is in the supercritical state and has, for example, a pressure between 40 and 60 bara.
  • the gaseous refrigerant flow comprising at least nitrogen, downstream of the first regulator 130 is in the gaseous state, and has, for example, a pressure of between 15 and 23 bara.
  • the gaseous refrigerant flow at medium pressure is therefore in the gaseous state.
  • the low-pressure gaseous refrigerant stream comprising at least nitrogen, downstream of the second regulator 150 is in the gaseous state, and has, for example, a pressure of between 1 and 2 bara.
  • Each second compressor 165 can be of the same or different type, turbocharger, mechanical or reciprocating type.
  • the device 100 which is the subject of the present invention comprises a sensor (not shown) of the pressure of the refrigerant flow at medium pressure, the compression assembly 160 being actuated according to the pressure sensed.
  • the device 100 which is the subject of the present invention comprises a mixer 170 of the expanded low-pressure refrigerant flow and of the medium-pressure refrigerant flow at the outlet of the first heat exchanger 105 for forming a unit refrigerant flow, the unit flow being supplied to the first compressor 155.
  • the mixer 170 is, for example, a mixing valve or a three-way ball valve.
  • the mixer 170 is configured to mix the medium pressure stream with the output stream from a second compressor 165 of the set 160 and to supply the mixed stream to another second compressor 165 of the set. 160.
  • a regulator 180 is, for example, an automatically operated flow control valve.
  • the flux rate ratio is measured in mass flux ratio.
  • the sensor 175 can be of any type of technology adapted to the fluid considered.
  • this sensor 175 is an electromagnetic flowmeter.
  • the device 100 comprises at least one intermediate heat exchanger between at least the fluid to be cooled and the low-pressure coolant flow.
  • the device 100 comprises a plurality of first compressors 155, first expanders 130 and/or second expanders 150.
  • the device 300 for precooling a fluid flow implements a secondary separator 305 of the low-pressure flow 145, said secondary separator 305 being positioned downstream of the second regulator 150.
  • This secondary separator 305 makes it possible to create two flows:
  • cooling flow 315 corresponding to the flow 145 of FIG. 1, the pressure of which is for example close to 9 bara and
  • the low pressure flow 315 is configured to pass through the third exchanger 115 and the first exchanger 105 successively while the very low pressure refrigerant flow 310 also passes through the second exchanger 110.
  • the flows are gradually reintegrated after a number of compression stages corresponding to the number of expansion stages undergone during the cycle.
  • the very low pressure stream 310 is mixed, in a mixer 325, after any compression and the resulting stream is injected into a compressor 330 before being mixed with the medium pressure stream 140.
  • the resulting stream is supplied to the compressor 155.
  • the very low pressure stream 310 is again separated into two streams, one of the two being injected into a regulator.
  • the two streams thus separated then pass through the second exchanger 110.
  • the gaseous refrigerant flow comprising at least nitrogen, downstream from the first compressor 155 and upstream from the first expansion valve 130, is in the supercritical state. Then, the gaseous refrigerant stream comprising at least nitrogen, downstream of the first expander 130, and upstream of the compressor 155 is in the gaseous state.
  • the implementation of the device 100 makes it possible, for example, to obtain a flow of fluid having a temperature of the order of 90 K.
  • the operating operating conditions can thus be as described in table 2 below:
  • FIG. 4 schematically, a variation of the embodiment illustrated in FIG. 1 is observed.
  • first compressor 155 in the first exchanger 105 the expander 410 being configured to expand the refrigerant flow 140 at medium pressure, said expander 410 being positioned between the separator 405 and the first exchanger 105.
  • the main variation is due to the fact that the first exchanger 105 is no longer pooled between the medium and low pressure flows, so that the second regulator 150 is, in these embodiments, two-stage.
  • the second regulator 150 must perform the equivalent of the operations of the first regulator 130 and the second regulator 150 of Figure 1.
  • the gaseous refrigerant flow comprising at least nitrogen, downstream from the first compressor 155 and upstream from the first regulator 410 and from the second regulator 150, is in the supercritical state. Then, the gaseous refrigerant flow comprising at least nitrogen, downstream of the first regulator 410 and the second regulator 150, is in the gaseous state.
  • FIG. 2 schematically shows a succession of particular steps of the method 200 which is the subject of the present invention.
  • This process 200 for pre-cooling a flow of a fluid comprises: - downstream of a first stage 235 of compression of a stream comprising at least nitrogen, called "refrigerant stream", a first stage 210 of expansion of at least part of the refrigerant stream,

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Abstract

Le dispositif (100) de pré-refroidissement d'un flux d'un gaz, comporte : - un séparateur (135) d'un flux réfrigérant (125), en aval d'un compresseur (155), en deux flux : - un flux (140) réfrigérant dit « à moyenne pression » et - un flux (145) réfrigérant dit « à basse pression », - un premier échangeur (105) de chaleur entre le flux (120) du gaz à pré-refroidir et au moins le flux (140) réfrigérant à moyenne pression comportant au moins de l'azote, - un détendeur (150) du flux réfrigérant à basse pression, - un deuxième échangeur (110) de chaleur entre le flux d'un gaz et le flux réfrigérant à basse pression détendu en sortie du deuxième détendeur et - un troisième (115) échangeur de chaleur entre le flux d'un gaz et le flux réfrigérant à basse pression en sortie du deuxième échangeur de chaleur.

Description

DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE PRÉ-REFROIDISSEMENT D’UN FLUX D’UN GAZ
Domaine technique de l’invention
La présente invention vise un dispositif de pré-refroidissement d’un flux d’un gaz et un procédé de pré-refroidissement d’un flux d’un gaz. Elle s’applique, par exemple, au domaine du refroidissement d’un gaz, préalablement à sa liquéfaction, et en particulier d’hydrogène.
État de la technique
Le procédé de liquéfaction se divise en trois grands blocs technologiques de température : la compression, le pré-refroidissement et la réfrigération. Le pré-refroidissement a pour but de baisser les températures d'entrée situées entre 273 K et 320 K du fluide d'intérêt et du fluide servant à la réfrigération dans le bloc suivant, jusqu'à une température dite de prérefroidissement située entre 78 K et 120 K.
On connaît les systèmes antérieurs suivants :
- Historiquement, l’opération de pré-refroidissement est réalisée à l'aide d'azote liquide s'écoulant à contre-sens dans un échangeur de chaleur. Celui-ci entre à une température de 78 K environ, sort à température ambiante et est rejeté dans l'atmosphère.
- Un autre procédé connu s'attache à recycler l'azote utilisé en le refroidissant à l'aide d'une série de compressions, refroidissement avec une détente finale permettant de diminuer la température du gaz jusqu'à environ 80 K. À l'aide d'échangeur de chaleur, les fluides à refroidir sont amenés à environ 80 K également.
- Une amélioration de cette boucle préconise d'effectuer plusieurs détentes au cours du refroidissement permettant d'optimiser l'apport de froid au sein des échangeurs.
- Enfin, un procédé connu sous la dénomination de « MRC » (pour Mixed-Refrigerant Cycle, traduit par « Cycle de réfrigération mixte ») utilise comme réfrigérant un mélange d'hydrocarbures et d'azote dont la composition varie selon les publications et brevets. Par le même principe opératoire de compression, refroidissement, détente, le réfrigérant est refroidi jusqu'à environ 1 10 K. À l'aide d'échangeur de chaleur, les fluides à refroidir sont amenés à environ 1 10 K également.
Tous ces systèmes existants présentent des inconvénients :
La boucle ouverte d'azote liquide présente l'inconvénient d'impliquer une gestion logistique de son approvisionnement et stockage en azote et de présenter des performances énergétiques peu élevées (environ de 3,5 à 4,5 kWh/kg LH2). Son atout économique et pratique est justifié dans le cadre de petite production inférieure à 5 tonnes par jour mais est non viable et opérationnellement complexe au-delà. Au-delà d’une certaine capacité, par exemple supérieure à 5 ou 10 tonnes par jour et suivant le choix de la technologie, le besoin en quantité d’azote liquide ne convient pas à une chaîne d’approvisionnement économiquement viable.
Les trois autres solutions sont toutes des alternatives de la solution de boucle ouverte d’azote en ce qu'elles opèrent en cycle fermé, évitant l'ensemble des problématiques citées précédemment.
La solution de cycle d’azote fermé, et son amélioration, nécessitent des investissements élevés en équipements, notamment les compresseurs, en raison de leur débit élevé d'azote.
On connaît les demandes de brevet US 5 579 655 et US 2019/063 824 qui divulguent des dispositifs, en cycle d’azote fermé, de pré-refroidissement de l’hydrogène. Cependant, ces dispositifs nécessitent l’utilisation d’azote liquide, séparé de l’azote gazeux grâce à un séparateur de phase, dans le flux de fluide réfrigérant.
On connaît également les demandes de brevet US 2015/204 603 et US 2014/245 780 qui divulguent des dispositifs, en cycle d’azote fermé, de liquéfaction de gaz naturel afin d’obtenir du gaz naturel liquéfié. Cependant, ces dispositifs ne permettent pas de réaliser un pré-refroidissement sans liquéfaction du gaz naturel.
Enfin, la solution MRC optimise l'efficacité énergétique du cycle mais ajoute une complexité dans la gestion des nombreux constituants du réfrigérant allant de 4 à 15. Ceci est notamment dû au fait que la composition est changeante tout au long de la durée d'utilisation du procédé en raison des fuites. Il faut alors reconstituer la composition initiale en introduisant les divers hydrocarbures qu'il aura fallu préalablement stocker. Par ailleurs, les fuites de gaz hydrocarbures sont des facteurs importants d'émission de gaz à effet de serre.
Ainsi, il n’existe pas aujourd’hui de solution simple du point de vue de l’approvisionnement de fluide refroidissant. Il n’existe pas, non plus de solution efficace et économique de pré-refroidissement de fluide, notamment de gaz, et de l’hydrogène en particulier.
Présentation de l’invention
La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients.
À cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif de prérefroidissement d’un flux d’un gaz, qui comporte :
- en aval d’un premier compresseur de flux réfrigérant, un premier détendeur d’au moins une partie d’un flux gazeux comportant au moins de l’azote, dit « flux réfrigérant »,
- un séparateur du flux réfrigérant gazeux, en aval du premier compresseur, en deux flux gazeux :
- un flux réfrigérant dit « à moyenne pression » et
- un flux réfrigérant dit « à basse pression », - un premier échangeur de chaleur entre le flux du gaz à pré-refroidir et au moins le flux réfrigérant gazeux à moyenne pression comportant au moins de l’azote,
- un deuxième détendeur du flux réfrigérant gazeux à basse pression,
- un deuxième échangeur de chaleur entre le flux d’un gaz et le flux réfrigérant gazeux à basse pression détendu en sortie du deuxième détendeur,
- un troisième échangeur de chaleur entre le flux d’un gaz et le flux réfrigérant gazeux à basse pression en sortie du deuxième échangeur de chaleur et
- au moins un premier compresseur du flux réfrigérant gazeux à basse pression détendu et du flux réfrigérant gazeux à moyenne pression en sortie du premier échangeur de chaleur pour former le flux réfrigérant gazeux à haute pression.
Grâce à ces dispositions, le dispositif objet de la présente invention réalise le prérefroidissement dans une boucle duale en pression. En procédant ainsi, le flux réfrigérant à pression moyenne permet de réduire la destruction d'énergie (et donc de diminuer les pertes d’énergie) s'effectuant dans le premier échangeur dû à un écart très important entre la température d'entrée du fluide froid et la température de sortie du fluide chaud. En procédant avec une fusion des flux à moyenne et à basse pression avant le dernier étage de compression, l'invention permet d'éviter l’intégration d'un compresseur supplémentaire pour ramener le flux de moyenne à haute pression.
L’invention présente un intérêt dans les cas de production nécessitant une autonomie de fonctionnement car elle s’affranchit d’un approvisionnement régulier en azote liquide. De manière générale, la technologie devient intéressante lorsque le coût d’achat et de transport de l’azote liquide est supérieur au surcoût d’équipement dû à l’invention.
Par ailleurs, la solution présente l’avantage de réduire la consommation électrique ce qui s’avère être un atout dégageant deux tendances :
- plus la capacité est importante et plus la technologie est intéressante et
- plus le coût d’achat d’électricité est important et plus la technologie est intéressante.
Enfin la solution présente l’avantage de conserver une utilisation d’azote dont les aspects toxicité et sécurité présentent des dangers moindres que ceux des réfrigérants mixtes à base d’hydrocarbures. Ainsi l’invention est également mieux adaptée pour un déploiement en milieu péri-urbain.
Dans des modes de réalisation, le séparateur est positionné en aval d’un passage du flux réfrigérant issu du premier compresseur dans le premier échangeur, le premier détendeur étant positionné entre le premier échangeur et le séparateur.
Dans des modes de réalisation, le séparateur est positionné en amont du passage du flux réfrigérant issu du premier compresseur dans le premier échangeur, le détendeur étant configuré pour détendre le flux réfrigérant à moyenne pression, ledit détendeur étant positionné entre le séparateur et le premier échangeur. Ces modes de réalisation réduisent le débit d’azote utilisé (et diminuent encore la taille des compresseurs et la taille des échangeurs). En revanche, il faut alors deux systèmes de détente, l’un à un étage pour le flux à moyenne pression et l’autre à double étage pour le flux à basse pression.
Dans des modes de réalisation, le procédé objet de la présente invention comporte, en amont du premier compresseur, un ensemble d’au moins un deuxième compresseur du flux de réfrigérant à basse pression en sortie du premier échangeur de chaleur, l’ensemble d’au moins un deuxième compresseur étant configuré pour que le flux de réfrigérant à basse pression soit porté à une pression équivalente à la pression du flux réfrigérant à moyenne pression en sortie du premier échangeur de chaleur.
Cette solution permet également de réduire le débit volumique des compresseurs de l’ensemble de compresseurs de 30% et donc de réduire la consommation énergétique d'autant (présentant par exemple une « Specific Energy Consumption », abrégée SEC et traduite par consommation spécifique d’énergie, d'environ 1 ,8 kWh/kg LH2) et l'investissement initial en équipement. Le prix de la section complète de compression de l'azote avec un compresseur est moins élevé que celui de deux compresseurs à plus petits débits dédiés respectivement aux flux moyenne et basse pression.
Dans des modes de réalisation, le troisième échangeur de chaleur est un échangeur catalytique. Dans des variantes, le premier échangeur n’est pas un échangeur catalytique et le deuxième échangeur et le troisième échangeur sont réunis en un échangeur unique.
Dans des modes de réalisation, le procédé objet de la présente invention comporte un mélangeur du flux réfrigérant à basse pression détendu et du flux réfrigérant à moyenne pression en sortie du premier échangeur de chaleur pour former un flux réfrigérant unitaire, le flux unitaire étant fourni au premier compresseur.
Ces modes de réalisation permettent d'éviter l’intégration d'un compresseur supplémentaire pour ramener le flux de moyenne à haute pression.
Dans des modes de réalisation, le premier compresseur est configuré pour produire un flux réfrigérant à haute pression présentant une pression comprise entre 40 et 60 bara.
Ces modes de réalisation présentent des conditions opératoires optimales pour le prérefroidissement de l’hydrogène.
Dans des modes de réalisation, le premier détendeur est configuré pour produire un flux réfrigérant à moyenne pression présentant une pression comprise entre 15 et 23 bara.
Ces modes de réalisation présentent des conditions opératoires optimales pour la liquéfaction de l’hydrogène.
Dans des modes de réalisation, le deuxième détendeur est configuré pour produire un flux réfrigérant à basse pression présentant une pression comprise entre 1 et 2 bara. Ces modes de réalisation présentent des conditions opératoires optimales pour la liquéfaction de l’hydrogène.
Dans des modes de réalisation, le procédé objet de la présente invention comporte un capteur de débit de flux d’un gaz et un régulateur du débit de flux réfrigérant, le régulateur du débit étant configuré pour que le débit de flux réfrigérant soit égal de 26 à 40 fois le débit du gaz.
Ces modes de réalisation présentent des conditions opératoires optimales pour la liquéfaction de l’hydrogène.
Dans des modes de réalisation, le gaz pré-refroidi est du dihydrogène.
Dans des modes de réalisation, le gaz pré-refroidi présente une température comprise entre 70 K et 120 K.
Dans des modes de réalisation, le gaz pré-refroidi présente une température comprise entre 78 K et 82 K.
Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de prérefroidissement d’un flux d’un gaz, qui comporte :
- en aval d’une première étape de compression d’un flux gazeux comportant au moins de l’azote, dit « flux réfrigérant », une première étape de détente d’au moins une partie du flux réfrigérant gazeux,
- une étape de séparation du flux réfrigérant gazeux, issu de la première étape de compression, en deux flux gazeux :
- un flux réfrigérant dit « à moyenne pression » et
- un flux réfrigérant dit « à basse pression »,
- une première étape d’échange de chaleur entre le flux d’un gaz à pré-refroidir et au moins le flux réfrigérant gazeux à moyenne pression comportant au moins de l’azote,
- une deuxième étape de détente du flux réfrigérant gazeux à basse pression,
- une deuxième étape d’échange de chaleur entre le flux d’un gaz et le flux réfrigérant gazeux à basse pression détendu en sortie de la deuxième étape de détente,
- une troisième étape d’échange de chaleur entre le flux de gaz et le flux réfrigérant gazeux à basse pression en sortie de la deuxième étape d’échange de chaleur et
- au moins une première étape de compression du flux réfrigérant gazeux à basse pression détendu et du flux réfrigérant gazeux à moyenne pression en sortie de la première étape d’échange de chaleur pour former le flux réfrigérant gazeux à haute pression, le flux réfrigérant gazeux à haute pression étant fourni à la première étape d’échange de chaleur.
Les avantages du procédé objet de la présente invention sont équivalents aux avantages du dispositif objet de la présente invention.
Brève description des figures D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du dispositif et du procédé objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :
- La figure 1 représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention,
La figure 2 représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une succession d’étapes particulière du procédé objet de la présente invention,
- La figure 3 représente, schématiquement, un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention et
- La figure 4 représente, schématiquement, un troisième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention.
Description des modes de réalisation
La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.
On note dès à présent que les figures ne sont pas à l’échelle.
On note ici que le fluide à refroidir est préférentiellement un gaz et, encore plus préférentiellement de l’hydrogène. On note que le fluide à refroidir peut également être de l’azote, du néon, ou de l’hélium sous forme gazeuse. Dans la suite de la description, lorsque l’on mentionne de l’hydrogène, il s’agit du gaz à refroidir. L’hydrogène peut être remplacé par de l’azote, du néon, ou de l’hélium.
On note ici qu’un gaz refroidi se réfère à un gaz présentant une température comprise entre 70 K et 120 K et préférentiellement entre 78 K et 82 K.
On appelle « flux comportant au moins de l’azote » tout flux de fluide comportant au moins 75% d’azote. Un tel flux peut être de l’air, par exemple, ou être constitué d’azote pur.
Le terme « flux gazeux » s’interprète au sens large et se réfère à un flux de fluide présent à l’état gazeux ou supercritique. Selon la nature du fluide, l’état supercritique est atteint lorsque les conditions de température et de pression sont chacune supérieure aux valeurs définies dans un diagramme de phase. Les conditions de température et de pression délimitant l’état supercritique selon la nature du fluide sont résumées dans le tableau 1 ci-dessous :
Te et Pc correspondent respectivement à la température critique et la pression critique.
Par exemple, l’azote présentant une température de 221 K à 50 bara est à l’état supercritique, tandis que l’azote présentant une température de 221 K à 33 bara est à l’état gazeux.
On observe, sur la figure 1 , qui n’est pas à l’échelle, une vue schématique d’un mode de réalisation du dispositif 100 objet de la présente invention.
On note que ce dispositif 100 forme le dispositif de pré-refroidissement d’un système (non référencé) plus large comportant les systèmes de transport, de refroidissement et de compression du fluide à pré-refroidir. Dans la figure 1 , ce système comporte :
- une entrée 1025 pour fluide à refroidir, le flux de fluide 120 traversant successivement le premier échangeur 105 de chaleur, le troisième échangeur 115 de chaleur et le deuxième échangeur 110 de chaleur,
- un étage de refroidissement 1010 du fluide avec deux sorties :
- une sortie pour fluide de refroidissement, pouvant être le fluide à refroidir, à basse pression 1020 et
- une sortie pour fluide de refroidissement à moyenne pression 1015, les flux de fluide de refroidissement à basse pression 1020 et à moyenne pression 1015 traversant successivement le deuxième échangeur 110 de chaleur, le troisième échangeur 115 de chaleur et le premier échangeur 105 de chaleur avant d’atteindre un étage 1005 de compression et
- ledit étage de compression comportant une sortie pour fluide de refroidissement à haute pression 1030, le flux de fluide de refroidissement à haute pression traversant successivement le premier échangeur 105 de chaleur, le troisième échangeur 1 15 de chaleur et le deuxième échangeur 110 de chaleur.
On note que des dispositifs d’un même type, par exemple compresseurs ou échangeurs, peuvent ne pas être des dispositifs distincts mais des étages d’un dispositif unique pour tout ou partie des dispositifs d’un type donné. Par exemple, le premier échangeur 105, le deuxième échangeur 1 10 et le troisième échangeur 1 15 peuvent correspondre à trois étages distincts d’un échangeur unique.
On note que, dans des variantes, le deuxième échangeur 1 10 est absent du dispositif
100. Le dispositif 100 de pré-refroidissement d’un flux d’un fluide comporte :
- en aval d’un premier compresseur 155 de flux réfrigérant, un premier détendeur 130 d’au moins une partie d’un flux comportant au moins de l’azote, dit « flux réfrigérant »,
- un séparateur 135 du flux réfrigérant 125, en aval du premier compresseur 155, en deux flux :
- un flux 140 réfrigérant dit « à moyenne pression » et
- un flux 145 réfrigérant dit « à basse pression »,
- un premier échangeur 105 de chaleur entre le flux 120 de fluide à pré-refroidir et au moins le flux 140 réfrigérant à moyenne pression comportant au moins de l’azote,
- un deuxième détendeur 150 du flux réfrigérant à basse pression,
- un deuxième échangeur 110 de chaleur entre le flux d’un fluide et le flux réfrigérant à basse pression détendu en sortie du deuxième détendeur,
- un troisième 115 échangeur de chaleur entre le flux d’un fluide et le flux réfrigérant à basse pression en sortie du deuxième échangeur de chaleur et
- au moins un premier compresseur 155 du flux réfrigérant à basse pression détendu et du flux réfrigérant à moyenne pression en sortie du premier échangeur de chaleur pour former le flux réfrigérant à haute pression.
Dans le mode de réalisation illustré en figure 1 , le séparateur 135 est positionné en aval du passage du flux 125 réfrigérant issu du premier compresseur 155 dans le premier échangeur 105, le détendeur 130 étant positionné entre le premier échangeur 105 et le séparateur 135.
En sortie du premier échangeur 105 de chaleur, le flux réfrigérant gazeux présente, par exemple, une température de l’ordre de 221 K à 50 bara. On note qu’un flux réfrigérant gazeux comportant au moins de l’azote est à l’état supercritique dans les conditions de température et de pression respectivement égales à 221 K et 50 bara.
Le premier détendeur 130 est, par exemple, une turbine de détente, ou turbodétendeur (« turboexpander », en anglais). Ce premier détendeur 130 reçoit, en entrée, le flux de réfrigérant à haute pression ayant traversé le premier échangeur 105 pour être refroidi ou pour en diminuer la température après compression.
Dans des variantes, le premier détendeur 130 est configuré, par exemple, pour produire un flux réfrigérant gazeux à moyenne pression présentant une pression comprise entre 15 et 23 bara.
Par exemple, la détente opérée porte le flux réfrigérant gazeux à une pression de 19 bara et à une température de 169 K. On note qu’un flux réfrigérant gazeux détendu et comportant au moins de l’azote est à l’état gazeux dans les conditions de pression et de température respectivement égales à 19 bara et 169 K. Le flux quittant le premier détendeur 130 est séparé dans le séparateur 135. Ce séparateur 135 est, par exemple, un té muni de vannes permettant l’asservissement du séparateur 135. Dans des variantes, tout type de séparateur connu d’une personne du métier peut être utilisé selon la nature d’implémentation du dispositif 100.
Ce séparateur 135 est défini, fonctionnellement, par sa capacité à former les deux flux suivants :
- un flux 140 réfrigérant dit « à moyenne pression » et
- un flux 145 réfrigérant dit « à basse pression », dont la basse pression est acquise après passage dans le deuxième détendeur 150.
Le ratio de séparation entre les flux, c’est-à-dire la proportion de flux à moyenne pression par rapport au flux à basse pression peut être fixe ou variable. Ce ratio peut être asservi en fonction d’un débit mesuré par un capteur (non représenté) de débit du flux 140 à moyenne pression.
Le flux 140 réfrigérant à moyenne pression est renvoyé dans le premier échangeur 105 de chaleur pour participer aux échanges y ayant lieu, tandis que le flux 145 réfrigérant à basse pression est fourni au deuxième détendeur 150.
Ce deuxième détendeur est, par exemple, une turbine de détente, ou turbodétendeur.
Dans des variantes, le deuxième détendeur 150 est configuré pour produire, par exemple, un flux réfrigérant gazeux à basse pression présentant une pression comprise entre 1 et 2 bara.
Par exemple, le deuxième détendeur 150 est configuré pour porter le flux réfrigérant gazeux à basse pression présentant une pression de 1 ,4 bara et une température de 84 K. On note qu’un flux réfrigérant gazeux à basse pression comportant au moins de l’azote est à l’état gazeux dans les conditions de pression et de température respectivement égales à 1 ,4 bara et 84 K.
Une fois porté à basse pression, le flux 145 réfrigérant à basse pression est fourni au deuxième échangeur 1 10 de chaleur.
Ce deuxième échangeur 1 10 de chaleur est, par exemple, un échangeur à plaques, à spirales, à tubes, à faisceau tubulaire ou à ailettes.
Une fois que le flux 145 réfrigérant à basse pression a traversé le deuxième échangeur 110 de chaleur, ce flux 145 réfrigérant à basse pression est dirigé vers le troisième échangeur 115 de chaleur.
Ce troisième échangeur 115 de chaleur est, par exemple, un échangeur à plaques, à spirales, à tubes, à faisceau tubulaire ou à ailettes. Dans des variantes, le troisième échangeur 115 de chaleur est un échangeur catalytique.
L’hydrogène est ainsi converti par réaction physico-chimique dite catalytique et souvent désignée par « catalyse ». Cette catalyse de l’hydrogène n’est classiquement effectuée que pour des températures inférieures à 100 K. C’est ce qui implique que dans ce dispositif 100, si conversion catalytique il y a, seul le troisième échangeur est catalytique.
Une fois que le flux 145 réfrigérant à basse pression a traversé le troisième échangeur 115 de chaleur, ce flux 145 réfrigérant à basse pression est dirigé vers le premier échangeur 105 de chaleur.
Ce premier échangeur 105 de chaleur est, par exemple, un échangeur à plaques, à spirales, à tubes, à faisceau tubulaire ou à ailettes.
Une fois que le flux 145 réfrigérant à basse pression a traversé le premier échangeur 105 de chaleur, ce flux 145 réfrigérant à basse pression est dirigé vers le premier compresseur 155, de manière conjointe au flux 140 réfrigérant à moyenne pression en sortie du premier échangeur 105 de chaleur.
Le premier compresseur 155 est, par exemple, un turbocompresseur (« turbo- compressor », en anglais), un compresseur mécanique ou alternatif.
Dans des variantes, le premier compresseur 155 est configuré pour produire un flux réfrigérant gazeux à haute pression présentant une pression comprise entre 40 et 60 bara.
Dans des variantes non représentées, le dispositif 100 objet de la présente invention comporte une colonne d’absorption, catalytique ou non, positionnée en sortie du deuxième échangeur 110 dans le sens du fluide à refroidir.
En sortie du premier compresseur 155, le flux 125 réfrigérant à haute pression est formé de nouveau et envoyé vers le premier échangeur 105 de chaleur.
Préférentiellement, dans le dispositif 100 représenté en figure 1 , le flux réfrigérant gazeux comportant au moins de l’azote, en aval du premier compresseur 155 et en amont du premier détendeur 130, est à l’état supercritique et présente, par exemple, une pression comprise entre 40 et 60 bara. Ensuite, le flux réfrigérant gazeux comportant au moins de l’azote, en aval du premier détendeur 130, est à l’état gazeux, et présente, par exemple, une pression comprise entre 15 et 23 bara. Dans cet exemple, le flux réfrigérant gazeux à moyenne pression est donc à l’état gazeux. Enfin, le flux réfrigérant gazeux à basse pression comportant au moins de l’azote, en aval du deuxième détendeur 150, est à l’état gazeux, et présente, par exemple, une pression comprise entre 1 et 2 bara.
Dans des modes de réalisation particuliers, tels que celui représenté en figure 1 , le dispositif 100 objet de la présente invention comporte, en amont du premier compresseur 155, un ensemble 160 d’au moins un deuxième compresseur 165 du flux de réfrigérant à basse pression en sortie du premier échangeur 105 de chaleur, l’ensemble d’au moins un deuxième compresseur étant configuré pour que le flux de réfrigérant à basse pression soit porté à une pression équivalente à la pression du flux réfrigérant à moyenne pression en sortie du premier échangeur de chaleur. Chaque deuxième compresseur 165 peut être d’un type identique ou distinct, de type turbocompresseur, mécanique ou alternatif.
Dans des variantes non représentées, le dispositif 100 objet de la présente invention comporte un capteur (non représenté) de la pression du flux réfrigérant à moyenne pression, l’ensemble 160 de compression étant actionné en fonction de la pression captée.
Dans des modes de réalisation particuliers, tels que celui représenté en figure 1 , le dispositif 100 objet de la présente invention comporte un mélangeur 170 du flux réfrigérant à basse pression détendu et du flux réfrigérant à moyenne pression en sortie du premier échangeur 105 de chaleur pour former un flux réfrigérant unitaire, le flux unitaire étant fourni au premier compresseur 155.
Le mélangeur 170 est, par exemple, une vanne mélangeuse ou une vanne à boisseau trois voies.
Dans des variantes non représentées, le mélangeur 170 est configuré pour mélanger le flux à moyenne pression avec le flux de sortie d’un deuxième compresseur 165 de l’ensemble 160 et pour fournir le flux mélangé à un autre deuxième compresseur 165 de l’ensemble 160.
Dans des modes de réalisation particuliers, tels que celui représenté en figure 1 , le dispositif 100 objet de la présente invention comporte un capteur 175 de débit de flux d’un fluide et un régulateur 180 du débit de flux réfrigérant, le régulateur du débit étant configuré pour que le débit de flux réfrigérant soit égal de 26 à 40 fois le débit du fluide. Un tel régulateur 180 est, par exemple, une vanne de régulation de débit actionnée automatiquement.
Le ratio de débits de flux est mesuré en ratio de flux de masse.
Le capteur 175 peut être de tout type de technologie adapté au fluide considéré. Par exemple, ce capteur 175 est un débitmètre électromagnétique.
Dans des variantes non représentées, le dispositif 100 comporte au moins un échangeur de chaleur intermédiaire entre au moins le fluide à refroidir et le flux réfrigérant à basse pression.
Dans des variantes non représentées, le dispositif 100 comporte une pluralité de premiers compresseurs 155, de premiers détendeurs 130 et/ou de deuxièmes détendeurs 150.
Dans des variantes, telles que celle représentée en figure 3, le dispositif 300 de prérefroidissement d’un flux de fluide met en œuvre un séparateur 305 secondaire du flux à basse pression 145, ledit séparateur 305 secondaire étant positionné en aval du deuxième détendeur 150. Ce séparateur 305 secondaire permet de créer deux flux :
- un flux réfrigérant dit « à basse pression » 315, correspondant au flux 145 de la figure 1 , dont la pression est par exemple voisine de 9 bara et
- un flux réfrigérant dit « à très basse pression » 310 fourni à un détendeur 320 supplémentaire en aval, dont la pression est par exemple voisine de 5 bara. Le flux à basse pression 315 est configuré pour traverser le troisième échangeur 1 15 et le premier échangeur 105 successivement tandis que le flux réfrigérant à très basse pression 310 traverse, en plus, le deuxième échangeur 1 10.
En sortie du bloc formé par les échangeurs de chaleur, 105, 110 et 1 15, les flux sont progressivement réintégrés après un nombre d’étapes de compression correspondant au nombre d’étapes de détente subies au cours du cycle.
Ainsi, le flux à très basse pression 310 est mélangé, dans un mélangeur 325, après une éventuelle compression et le flux résultant est injecté dans un compresseur 330 avant d’être mélangé avec le flux à moyenne pression 140. Le flux résultant est fourni au compresseur 155.
Dans des variantes non représentées, le flux à très basse pression 310 est à nouveau séparé en deux flux, l’un des deux étant injecté dans un détendeur. Les deux flux ainsi séparés traversent alors le deuxième échangeur 110.
Préférentiellement, dans le dispositif 300 représenté en figure 3, le flux réfrigérant gazeux comportant au moins de l’azote, en aval du premier compresseur 155 et en amont du premier détendeur 130, est à l’état supercritique. Ensuite, le flux réfrigérant gazeux comportant au moins de l’azote, en aval du premier détendeur 130, et en amont du compresseur 155 est à l’état gazeux.
La mise en œuvre du dispositif 100 permet, par exemple, d’obtenir un flux de fluide présentant une température de l’ordre de 90 K.
Les conditions opératoires de fonctionnement peuvent ainsi être telles que décrites dans le tableau 2 ci-dessous :
On observe, en figure 4, schématiquement, une variation du mode de réalisation illustré en figure 1. Dans ce mode de réalisation particulier du dispositif 400 objet de la présente invention, le séparateur 405 est positionné en amont du passage du flux 125 réfrigérant issu du premier compresseur 155 dans le premier échangeur 105, le détendeur 410 étant configuré pour détendre le flux 140 réfrigérant à moyenne pression, ledit détendeur 410 étant positionné entre le séparateur 405 et le premier échangeur 105.
Comme on le comprend, la principale variation tient au fait que le premier échangeur 105 n’est plus mutualisé entre les flux à moyenne et à basse pression, si bien que le deuxième détendeur 150 est, dans ces modes de réalisation, à deux étages. Le deuxième détendeur 150 doit réaliser l’équivalent des opérations du premier détendeur 130 et du deuxième détendeur 150 de la figure 1 .
Préférentiellement, dans le dispositif 400 représenté en figure 4, le flux réfrigérant gazeux comportant au moins de l’azote, en aval du premier compresseur 155 et en amont du premier détendeur 410 et du deuxième détendeur 150, est à l’état supercritique. Ensuite, le flux réfrigérant gazeux comportant au moins de l’azote, en aval du premier détendeur 410 et du deuxième détendeur 150, est à l’état gazeux.
On observe, en figure 2, schématiquement, une succession d’étapes particulières du procédé 200 objet de la présente invention. Ce procédé 200 de pré-refroidissement d’un flux d’un fluide, comporte : - en aval d’une première étape 235 de compression d’un flux comportant au moins de l’azote, dit « flux réfrigérant », une première étape 210 de détente du d’au moins une partie du flux réfrigérant,
- une étape 215 de séparation du flux réfrigérant, issu de la première étape 235, de compression en deux flux :
- un flux réfrigérant dit « à moyenne pression » et
- un flux réfrigérant dit « à basse pression »,
- une première étape d’échange 205 de chaleur entre le flux de fluide à pré-refroidir et au moins le flux réfrigérant à moyenne pression comportant au moins de l’azote,
- une deuxième étape 220 de détente du flux réfrigérant à basse pression,
- une deuxième étape 225 d’échange de chaleur entre le flux d’un fluide et le flux réfrigérant à basse pression détendu en sortie de la deuxième étape de détente,
- une troisième étape 230 d’échange de chaleur entre le flux d’un fluide et le flux réfrigérant à basse pression en sortie de la deuxième étape d’échange de chaleur et
- au moins une première étape 235 de compression du flux réfrigérant à basse pression détendu et du flux réfrigérant à moyenne pression en sortie de la première étape d’échange de chaleur pour former le flux réfrigérant à haute pression, le flux réfrigérant à haute pression étant fourni à la première étape d’échange de chaleur.
La réalisation et la mise en œuvre de ce procédé 200 sont décrites au regard des figures 1 , 3 et 4. De même, les variantes des figures 1 , 3 et 4 peuvent être transposées, mutatis mutandis, dans le contenu de la figure 2.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (100, 400) de pré-refroidissement d’un flux d’un gaz, caractérisé en ce qu’il comporte :
- en aval d’un premier compresseur (155) de flux réfrigérant, un premier détendeur (130, 410) d’au moins une partie d’un flux gazeux comportant au moins de l’azote, dit « flux réfrigérant »,
- un séparateur (135, 405) du flux réfrigérant (125) gazeux, en aval du premier compresseur (155), en deux flux gazeux :
- un flux (140) réfrigérant dit « à moyenne pression » et
- un flux (145) réfrigérant dit « à basse pression »,
- un premier échangeur (105) de chaleur entre le flux (120) de gaz à pré-refroidir et au moins le flux (140) réfrigérant gazeux à moyenne pression comportant au moins de l’azote,
- un deuxième détendeur (150) du flux réfrigérant gazeux à basse pression,
- un deuxième échangeur (110) de chaleur entre le flux d’un gaz et le flux réfrigérant gazeux à basse pression détendu en sortie du deuxième détendeur,
- un troisième (1 15) échangeur de chaleur entre le flux d’un gaz et le flux réfrigérant gazeux à basse pression en sortie du deuxième échangeur de chaleur et
- au moins un premier compresseur (155) du flux réfrigérant gazeux à basse pression détendu et du flux réfrigérant gazeux à moyenne pression en sortie du premier échangeur de chaleur pour former le flux réfrigérant gazeux à haute pression.
2. Dispositif (100) selon la revendication 1 , dans lequel le séparateur (135) est positionné en aval d’un passage du flux (125) réfrigérant issu du premier compresseur (155) dans le premier échangeur (105), le premier détendeur (130) étant positionné entre le premier échangeur (105) et le séparateur (135).
3. Dispositif (400) selon la revendication 1 , dans lequel le séparateur (405) est positionné en amont du passage du flux (125) réfrigérant issu du premier compresseur (155) dans le premier échangeur (105), le détendeur (410) étant configuré pour détendre le flux (140) réfrigérant à moyenne pression, ledit détendeur (410) étant positionné entre le séparateur (405) et le premier échangeur (105).
4. Dispositif (100, 400) selon l’une des revendications 1 à 3, qui comporte, en amont du premier compresseur (155), un ensemble (160) d’au moins un deuxième compresseur (165) du flux de réfrigérant à basse pression en sortie du premier échangeur (105) de chaleur, l’ensemble d’au moins un deuxième compresseur étant configuré pour que le flux de réfrigérant à basse pression soit porté à une pression équivalente à la pression du flux réfrigérant à moyenne pression en sortie du premier échangeur de chaleur.
5. Dispositif (100, 400) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le troisième échangeur (1 15) de chaleur est un échangeur catalytique.
6. Dispositif (100, 400) selon l’une des revendications 1 à 5, qui comporte un mélangeur (170) du flux réfrigérant à basse pression détendu et du flux réfrigérant à moyenne pression en sortie du premier échangeur (105) de chaleur pour former un flux réfrigérant unitaire, le flux unitaire étant fourni au premier compresseur (155).
7. Dispositif (100, 400) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel le premier compresseur (155) est configuré pour produire un flux réfrigérant à haute pression présentant une pression comprise entre 40 et 60 bara.
8. Dispositif (100, 400) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le premier détendeur (130) est configuré pour produire un flux réfrigérant à moyenne pression présentant une pression comprise entre 15 et 23 bara.
9. Dispositif (100, 400) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le deuxième détendeur (150) est configuré pour produire un flux réfrigérant à basse pression présentant une pression comprise entre 1 et 2 bara.
10. Dispositif (100, 400) selon l’une des revendications 1 à 9, qui comporte un capteur (175) de débit de flux d’un gaz et un régulateur (180) du débit de flux réfrigérant, le régulateur du débit étant configuré pour que le débit de flux réfrigérant soit égal de 26 à 40 fois le débit du gaz.
11. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel le gaz pré-refroidi est du dihydrogène.
12. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 11 , dans lequel le gaz pré-refroidi présente une température comprise entre 70 K et 120 K.
13. Dispositif selon la revendication 12, dans lequel le gaz pré-refroidi présente une température comprise entre 78 K et 82 K.
14. Procédé (200) de pré-refroidissement d’un flux d’un gaz, caractérisé en ce qu’il comporte :
- en aval d’une première étape (235) de compression d’un flux gazeux comportant au moins de l’azote, dit « flux réfrigérant », une première étape (210) de détente du d’au moins une partie du flux réfrigérant gazeux, - une étape (215) de séparation du flux réfrigérant gazeux, issu de la première étape
(235), de compression en deux flux gazeux :
- un flux réfrigérant dit « à moyenne pression » et
- un flux réfrigérant dit « à basse pression »,
- une première étape d’échange (205) de chaleur entre le flux de gaz à pré-refroidir et au moins le flux réfrigérant gazeux à moyenne pression comportant au moins de l’azote,
- une deuxième étape (220) de détente du flux réfrigérant gazeux à basse pression,
- une deuxième étape (225) d’échange de chaleur entre le flux d’un gaz et le flux réfrigérant gazeux à basse pression détendu en sortie de la deuxième étape de détente,
- une troisième étape (230) d’échange de chaleur entre le flux d’un gaz et le flux réfrigérant gazeux à basse pression en sortie de la deuxième étape d’échange de chaleur et
- au moins une première étape (235) de compression du flux réfrigérant gazeux à basse pression détendu et du flux réfrigérant gazeux à moyenne pression en sortie de la première étape d’échange de chaleur pour former le flux réfrigérant gazeux à haute pression, le flux réfrigérant gazeux à haute pression étant fourni à la première étape d’échange de chaleur.
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