FR2675888A1 - Procede a l'utilisation du gaz naturel liquefie (gnl) associe a un expanseur a froid pour produire de l'azote liquide. - Google Patents

Procede a l'utilisation du gaz naturel liquefie (gnl) associe a un expanseur a froid pour produire de l'azote liquide. Download PDF

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Abstract

Un procédé pour la liquéfaction d'un courant d'azote produit par des composants d'air de séparation en utilisant une combinaison de distillation cryogénique avec une réfrigération améliorée. On utilise comme réfrigérant un gaz naturel liquéfié (GNL) très froid, celui-ci étant habituellement revaporisé pour le transport. On fait appel à une compression à étages multiples et la charge des constituants à chaque étape de compression est prérefroidie en utilisant la source de réfrigération séquentielle du GNL. Un expanseur pour le courant du produit de composant gazeux le plus froid assure une réfrigération supplémentaire à l'extrémité froide en sus de la source de réfrigération disponible à partir du GNL réfrigérant.

Description

PROCEDE A L'UTILISATION DU GAZ NATUREL LIQUEFIE (GNL) ASSOCIE
A UN EXPANSEUR A FROID POUR PRODUIRE DE L'AZOTE LIQUIDE
La présente invention concerne un procédé pour la liquéfaction d'un courant d'azote obtenu par une unité de séparation d'air par distillation cryogénique en utilisant une source de réfrigération perfectionnée, notamment en vaporisant du gaz naturel liquéfié (GNL) pour produire de
l'azote liquéfié.
La séparation de l'air pour produire de l'oxygène, de l'azote, de l'argon et d'autres matières s'effectue par distillation à basse pression pour obtenir une conservation d'énergie On sait que la source de réfrigération disponible à partir du gaz naturel liquéfié (GNL) peut être utilisée
pour refroidir l'air de charge et/ou comprimer les consti-
tuants gazeux.
Lorsque l'acheminement par gazoducs n'est pas réali-
sable, le gaz naturel est en principe liquéfié et transporté
sous forme de liquide en grande quantité Au port de récep-
tion, ce gaz naturel liquéfié (GNL) doit être vaporisé et chauffé aux températures ambiantes Une utilisation efficace de cette réfrigération au moment de la vaporisation est
fortement souhaitée Il est de plus en plus courant de cons-
truire des installations de séparation d'air comportant des liquéfacteurs qui font appel à la source de réfrigération disponible à partir de la vaporisation du GNL Un système efficace qui tire mieux profit de la source de réfrigération disponible du GNL pour produire des produits liquides à partir de l'air peut donner des économies importantes en
matière d'énergie et de coûts d'investissement.
Des procédés de liquéfaction sont nécessaires notamment dans le cas o la demande en produit liquide est si élevée que la quantité disponible de GNL réfrigérant ne peut satisfaire pleinement la totalité des besoins en réfrigération En général, cette situation se produit lorsque les tonnes équivalentes d'azote liquide produites par tonne de GNL sont supérieures à 0,45 Dans ces cas, une
réfrigération supplémentaire à partir de sources énergéti-
ques existantes est nécessaire pour répondre à la demande excédentaire de réfrigération Bien que des solutions aient été proposées, elles n'impliquent pas le prérefroidissement du composant gazeux pour la liquéfaction avant chaque étage de compression à froid, pas plus qu'elles ne suggèrent l'utilisation d'un expanseur pour produire le produit liquide, apte à fournir la réfrigération supplémentaire Le
problème technique consiste à intégrer les besoins supplé-
mentaires en réfrigération au besoin principal résultant du
GNL et de le faire à des niveaux de température variables.
Plusieurs publications décrivent la production d'azote liquide par échange thermique indirect contre la vaporisation de GNL Etant donné que la température la plus basse du GNL est en principe supérieure à -1620 C (-260 'F),
l'azote doit se situer à une pression supérieure à la pres-
sion ambiante pour être condensé étant donné que le point d'ébullition normal de l'azote est de -1950 C (-320 'F) En principe, pour condenser aux températures d'environ -1620 C (-2600 F), l'azote doit être comprimé jusqu'à environ ,818 Kg/cm 2 de pression absolue ( 225 pression absolue en psi) La compression de l'azote avant sa condensation par échange thermique avec GNL est l'une des principales sources de consommation d'énergie dans la production d'un produit
d'azote liquide.
Le brevet US no 3 886 758 décrit un procédé dans lequel on comprime un courant d'azote à une pression d'environ 15,537 Kg/cm 2 pression absolue 15 atm ( 221 pression absolue en psi) puis on le condense par échange thermique contre vaporisation de GNL Etant donné que la totalité de l'azote gazeux n'est pas prérefroidie contre le gaz naturel de réchauffement avant la compression, la quantité d'énergie requise pour le compresseur d'azote est
très élevée.
La demande de brevet RU no 1 520 581 décrit un procédé d'utilisation de la capacité de réfrigération
excédentaire dans le cadre d'une installation de liquéfac-
tion de gaz naturel pour produire du GNL supplémentaire, notamment dans le but de fournir de la réfrigération pour la liquéfaction de l'azote Dans le procédé, le gaz d'azote à liquéfier provenant de l'installation de séparation d'air
est comprimé sans aucun prérefroidissement avec du GNL.
Yamanouchi et Nagasawa (Chemical Engineering Progress, pp 78, Juillet 1979) décrivent un autre procédé d'utilisation de réfrigération du GNL pour la séparation d'air Là encore, l'azote à environ 5,2 atm est comprimé jusqu'à environ 31 atm sans aucun prérefroidissement En
outre, dans ces travaux, le GNL est vaporisé dans l'échan-
geur de chaleur de GNL à une pression proche de la pression ambiante 1, 054 Kg/cm 2 de pression absolue ( 15 pression
absolue en psi).
Le brevet RU no 1 376 678 enseigne que l'évaporation de GNL à une pression proche de la pression atmosphérique n'est pas efficace étant donné qu'il faut introduire le gaz
naturel vaporisé dans un gazoduc de distribution à une pres-
sion lui permettant de parvenir à sa destination, c'est-à-
dire à la pression de transport Cette pression de transport est de loin supérieure à la pression atmosphérique ne dépassant habituellement pas 70 atm 72,344 Kg/cm 2 ( 1029 psi) Par conséquent, si le GNL est vaporisé à la pression atmosphérique, il faut alors une quantité considérable d'énergie pour recomprimer le gaz vaporisé à sa pression de transport Par conséquent, dans le brevet RU N O 1 376 678 le GNL est d'abord pompé à la pression souhaitée, puis il est vaporisé Malheureusement, le procédé de récupération de l'énergie de réfrigération enseigné dans ce brevet n'est
pas efficace étant donné que l'on ne récupère pas la tota-
lité de l'énergie de réfrigération disponible à partir du GNL et le gaz naturel vaporisé quittant l'échangeur de chaleur GNL est encore très froid -109 C (-1650 F) Cette récupération incomplète de réfrigération implique pour ce procédé, des quantités importantes de GNL pour produire la
quantité souhaitée d'azote liquide (NIL).
La publication du brevet japonais N O 52-37596 ( 1977) enseigne la vaporisation de GNL basse pression contre un courant d'azote à pression élevée qui est obtenu directement à partir d'une colonne de distillation qui fonctionne à une pression élevée Dans ce procédé, seule une partie du GNL est vaporisée contre l'azote de condensation et le reste du GNL est vaporisé dans les autres échangeurs de chaleur; il
s'agit d'une utilisation inefficace de l'énergie de réfrigé-
ration du GNL Le gaz naturel vaporisé est alors comprimé.
Le brevet U S no 3 857 251 décrit un procédé pour la production d'azote liquide par extraction d'azote à partir des vapeurs provenant de l'évaporation de GNL dans les réservoirs de stockage L'azote gazeux est comprimé dans un compresseur à étages multiples avec refroidissement intermédiaire entre les étages assuré par l'eau, l'air, le
propane, l'ammoniac ou des hydrocarbures fluorés.
La publication du brevet japonais 46-20123 ( 1971) enseigne la compression à froid d'un courant d'azote qui a été refroidi par vaporisation de GNL Un étage seulement de la compression d'azote est utilisé Il s'ensuit que l'on n'obtient pas une utilisation efficace de l'énergie froide
du GNL qui se vaporise sur une vaste plage de températures.
La publication du brevet japonais N O 53-15993 ( 1978) enseigne l'utilisation de la réfrigération de GNL pour l'azote haute pression qui est prélevé de la colonne haute pression d'un système de distillation d'air à double colonne L'azote est comprimé à froid dans un compresseur à
étages mutiples mais sans aucun refroidissement intermé-
diaire avec le GNL.
Le brevet allemand N O 2 307 004 décrit un procédé pour la récupération de la réfrigération de GNL pour produire de l'azote liquide Le gaz d'azote provenant de l'extrémité chaude d'une installation de séparation d'air cryogénique est proche de la pression ambiante et de la température ambiante Cet azote d'alimentation est comprimé, sans aucun refroidissement de GNL, dans un compresseur à étages multiples Une portion de ce gaz comprimé est partiellement refroidie contre GNL et elle est mise en expansion dans un expanseur pour créer une réfrigération à
bas niveau L'autre portion de l'azote comprimé est compri-
mée à froid et condensée par échange thermique contre le courant d'azote expansé Le gaz expansé est chauffé et recomprimé à une pression intermédiaire puis amené au compresseur d'alimentation d'azote fonctionnant à une température d'entrée proche de la température ambiante Il
est clair que la plus grande partie du travail de compres-
sion de l'azote s'effectue dans des compresseurs à une température d'entrée proche de la température ambiante et
que dans ces compresseurs, il n'est prévu aucun refroidisse-
ment intermédiaire avec le GNL.
Les brevets US N O 4 054 433 et N O 4 192 662 ensei-
gnent des procédés dans lesquels on utilise un fluide de
recirculation en boucle fermée pour transférer la réfrigé-
ration provenant du GNL en vaporisation vers un courant d'azote de condensation Dans le brevet US no 4 054 433, on
utilise un mélange de méthane, d'azote, d'éthane ou d'éthy-
lène et de C 3 + pour équilibrer les courbes de refroidisse-
ment dans les échangeurs de chaleur L'azote gazeux en provenance de la colonne haute pression (pression plus ou moins égale à 6,2 atm) est liquéfié sans aucune compression supplémentaire Cependant, une fraction importante de l'azote est produite à une pression proche de la pression ambiante à partir d'un appareil de distillation d'air classique à double colonne Sa liquéfaction efficace nécessiterait un procédé pour comprimer pratiquement ce
courant d'azote, ce qui n'est pas suggéré dans ce brevet US.
Dans le brevet US no 4 192 662, on fait appel à des hydrocarbures fluorés ou fluorocarbones comme fluide de recirculation dans lesquels celui-ci est refroidi contre une portion du GNL en vaporisation, puis utilisé pour
refroidir des courants d'azote à basse à moyenne pression.
Ce dispositif présente certains problèmes et/ou ineffica-
cité Les pertes d'énergie dues à la recirculation des hydrocarbures fluorés sont importantes; il faut utiliser des échangeurs de chaleur supplémentaires ainsi qu'une pompe De plus, l'utilisation d'hydrocarbures fluorés présente des implications négatives pour l'environnement et l'utilisation d'autres fluides de remplacement s'avère
onéreuse.
La publication du brevet japonais n' 58-150786 ( 1983) et la demande de brevet européenne N O O 304 355-Ai ( 1989) enseignent l'utilisation d'un recyclage de gaz inerte
tel que de l'azote ou de l'argon pour transférer la réfrigé-
ration à partir du GNL à une unité de séparation d'air Dans cet agencement, le courant de gaz inerte à haute pression est liquéfié avec le gaz naturel, puis revaporisé dans un échangeur de chaleur de recyclage pour refroidir un courant de recyclage de gaz inerte à pression inférieure provenant de l'unité de séparation d'air Le courant de recyclage de gaz inerte basse température refroidi est comprimé à froid et une portion de celui-ci est mélangée au courant d'azote haute pression vaporisé à chaud Le courant mélangé est liquéfié contre le GNL et alimenté à l'unité de séparation d'air pour assurer la réfrigération nécessaire puis il est renvoyé depuis l'unité de séparation d'air sous forme de courant de recyclage chaud à pression inférieure Une autre portion du courant comprimé à froid est liquéfiée avec échange thermique contre GNL et forme le courant à vaporiser dans l'échangeur de chaleur de recyclage Ces agencements sont inefficaces Par exemple, la totalité des fluides de recirculation est comprimée à froid dans un compresseur sans
aucun refroidissement intermédiaire avec le GNL.
Par conséquent, le procédé antérieur est considéra-
blement limité aux cas o chaque tonne d'azote liquide produite par tonne de GNL utilisée est inférieure à 0,5 et de préférence inférieure à 0,45 Ainsi, il existe encore des situations o la quantité d'azote à liquéfier dépasse de loin la réfrigération pouvant être obtenue à partir du GNL dans la plage de température froide précitée -117 o C jusqu'à -162 *C (-1800 F jusqu'à -260 'F) La présente invention vise
cette contrainte pratique en proposant un procédé thermo-
dynamiquement plus efficace pour la liquéfaction de l'azote.
Comme on vient de le noter, il existe un besoin croissant pour un système de liquéfaction qui utilise de
façon plus profitable l'énergie froide du GNL en vaporisa-
tion pour produire des produits liquides à partir de l'air avec des économies importantes De même, il existe un besoin pour un moyen permettant de produire de l'azote liquide par tonne de réfrigérant GNL au-delà des contraintes du rapport
0,45 de l'art antérieur.
La présente invention concerne un procédé cryogé-
nique pour la production de composants gazeux liquéfiés en partant de courants de produits intermédiaires générés dans un système de distillation à double colonne et qui sont de l'air alimenté et comprenant habituellement une colonne haute pression et une colonne basse pression Dans le procédé selon l'invention, aussi bien les composants de charge gazeux basse pression que les composants de charge gazeux haute pression (dans le cas d'un courant d'entrée) à comprimer à froid sont respectivement refroidis à des températures différentes dans une étape d'échange thermique relativement chaude Les courants d'entrée prérefroidis au compresseur à étages multiples pour chaque courant de charge sont à des températures sensiblement différentes Chacun des courants d'azote haute pression produits traverse (sous forme de sous-courant) une zone d'expanseur pour fournir une source de réfrigération supplémentaire (en plus de celle fournie par le GNL) au niveau de l'extrémité froide du système de liquéfaction L'énergie prélevée de la première zone d'expanseur sert à comprimer à froid un autre courant d'azote haute pression dans l'étage final du compresseur à froid vers la pression la plus élevée pour fournir le composant gazeux condensé à la pression supérieure Enfin, un second expanseur de fluide dense est utilisé sur le courant liquide froid condensé à la pression la plus élevée qui fournit alors la majeure partie du courant de prélève-
ment de produit d'azote liquide.
Le prérefroidissement des courants d'azote de charge dans l'extrémité chaude, le refroidissement de la zone à des températures différentes, pour la compression intermédiaire à froid, permettent d'utiliser complètement la source de réfrigération pouvant être obtenue dans le courant de GNL tout en réduisant l'énergie ensuite nécessaire dans les compresseurs à étages multiples Le procédé sert à rendre les courbes de refroidissement pour les échangeurs de
chaleur initiaux moins irréversibles.
Selon l'invention, il est proposé un procédé pour la liquéfaction d'un courant d'azote produit par une unité de séparation d'air cryogénique ayant au moins une colonne de distillation et il comprend les étapes consistant à: (a) comprimer le courant d'azote à une pression d'au moins 21,091 Kg/cm 2 ( 300 psi) dans un compresseur à étages multiples dans lequel il est prévu un refroidissement intermédiaire par échange thermique contre le gaz naturel liquéfié en vaporisation; (b) diviser le courant d'azote comprimé en des premier et second sous-courants d'azote comprimé; (c) refroidir le premier sous-courant d'azote comprimé par échange thermique contre le gaz naturel liquéfié en vaporisation et expanser ensuite le premier sous-courant d'azote comprimé refroidi pour produire un
sous-courant d'azote expansé; (d) condenser le second sous-
courant d'azote comprimé par échange thermique contre le gaz naturel liquéfié en vaporisation et le sous-courant d'azote expansé de l'étape (c); (e) réduire la pression du second
courant d'azote comprimé condensé permettant ainsi de pro-
duire un courant d'azote à deux phases; (f) effectuer la séparation de phase du courant d'azote à deux phases en un courant d'azote liquide et en un courant de vapeur d'azote; et (g) chauffer le courant de vapeur d'azote pour récupérer
la réfrigération.
Une variation du procédé décrit ci-dessus comprend les opérations consistant à sous-refroidir le second sous courant d'azote comprimé condensé de l'étape (d) avant de réduire la pression à l'étape (e) par échange thermique contre le courant de vapeur d'azote en réchauffement de l'étape (g) et le sous-courant d'azote expansé de l'étape (c) Concurremment, le procédé comprend également les étapes consistant à recycler le courant de vapeur d'azote réchauffé de l'étape (g) à un étage intermédiaire du compresseur à
étages multiples de l'étape (a).
Dans un autre mode de réalisation du procédé principal, la réduction de la pression de l'étape (e) s'effectue par expansion de travail du courant d'azote
comprimé et condensé dans un expanseur de fluide dense.
Dans encore un autre mode de réalisation du procédé
selon l'invention, il s'agit de recycler au moins une por-
tion du sous-courant d'azote expansé chauffé de l'étape (d) à un étage intermédiaire approprié du compresseur à étages
multiples de l'étape (a).
Dans une variation préférée du premier mode de réalisation décrit, la température du premier sous-courant d'azote comprimé refroidi de l'étape (c) se situe entre
-730 C et -157 a C (-1000 F et -2500 F) avant expansion.
On va maintenant décrire l'invention en se référant au dessin dans lequel: la figure 1 est un schéma de principe du procédé connu dans l'art pour la liquéfaction de constituants gazeux fractionnés tels que de l'azote employant du fréon en recirculation comme agent pour l'utilisation de l'énergie
froide du GNL réfrigéré.
La figure 2 est un schéma de principe d'un pre-
mier mode de réalisation de la présente invention destiné à liquéfier des constituants gazeux et ne fait pas appel à un liquide de recirculation courant en utilisant un réfrigérant
de GNL et également la compression à froid à étages multi-
ples et à reproduire les températures d'entrée et de sortie de courant sur les différents compresseurs à froid et expanseur. La figure 3 montre un second mode de réalisation
de l'invention pour la liquéfaction d'un constituant gazeux.
La figure 4 montre un troisième mode de réalisa-
tion de la présente invention destiné à liquéfier un consti-
tuant gazeux comprenant le prérefroidissement des courants de charge chauds dans un échangeur avec une portion du produit du constituant gazeux à la pression la plus élevée
du procédé.
Sur la figure 1 en particulier, il est représenté un système de liquéfaction d'azote de l'art antérieur utilisant du fréon de recirculation en tant qu'agent de transfert d'énergie entre le liquide GNL réfrigérant et les produits de séparation d'air gazeux comme l'azote à liquéfier Les charges d'entrée à partir d'une unité de séparation d'air (non représentée) sont un courant d'azote gazeux haute pression chaud 10, un courant d'azote gazeux chaud basse pression 12 et un courant d'azote gazeux froid basse pression 14 Le courant du produit unique découlant du procédé est un courant d'azote liquide 16 Le système est
destiné à récupérer sensiblement la totalité de la réfrigé-
ration disponible à partir du courant de charge GNL de vaporisation 18, qui sort du procédé sous forme de courant
de gaz naturel sous pression 20, maintenant apte au trans-
port en gazoduc La seule autre entrée de réfrigération provient du courant d'eau de refroidissement 22 qui est échangé thermiquement dans l'échangeur de chaleur à espace auxiliaire 24 qui est agencé dans un système fermé 26 pour le fréon en recirculation La quantité de GNL disponible est
jugée comme étant une réfrigération suffisante pour refroi-
dir le courant d'azote gazeux d'entrée à la plage froide d'environ -1170 C (-180 'F) jusqu'à -162 a C (-2600 F) (le point il d'ébullition normal de l'azote est -1960 C (-320,50 F)) et produit la quantité souhaitée du produit d'azote liquide
sous forme de courant 16.
Les courants de charge d'azote 10, 12 et 14 à com-
primer dans les compresseurs à froid 32, 29 et 54 sont en principe refroidis dans la même plage de températures dans les échangeurs de chaleur, l'extrémité chaude située en aval
du premier et du second étage du compresseur de gaz d'ali-
mentation. Le courant d'azote 10 traverse l'échangeur de chaleur primaire 28 pour le prérefroidissement avant d'entrer dans le compresseur primaire froid 29 Le courant
de recyclage de gaz comprimé 30 traverse l'échangeur pri-
maire 28 avant d'entrer dans le second étage du compresseur à froid 32 Le courant comprimé refroidi 34 est alors refroidi davantage dans les échangeurs 36 et 38, formant ainsi la principale source du produit d'azote liquide Le courant refroidi 40 traverse le séparateur de phase 42 avec son courant de fond liquide 44 traversant l'échangeur de chaleur 46, réchauffant partiellement le courant d'entrée 14, puis traverse un autre séparateur de phase 48 et sort
sous forme de courant de produit d'azote liquide 16.
Les vapeurs d'azote de tête en provenance des séparateurs 42 et 48 sont recyclées par les échangeurs de chaleur 50 et 46 respectivement avant d'être recyclées aux compresseurs à froid 32 et 29 respectivement, dans lesquels
elles subissent une compression à froid puis une condensa-
tion dans les échangeurs de chaleur.
Le courant d'entrée 12 est également prérefroidi dans l'échangeur 28 avant d'être compressé à froid dans un premier étage de compresseur 54, puis recyclé pour rejoindre l'autre courant d'entrée 10 avec les courants combinés 56 de nouveau refroidis dans l'échangeur 28 avant leur compression
à froid dans le compresseur à froid primaire 29 et le trai-
tement de refroidissement subséquent décrit précédemment pour le courant principal d'azote d'entrée 10 Le courant d'entrée 14 est partiellement réchauffé dans les échangeurs
46 et 50 et il est combiné avec le courant d'entrée 12.
Le circuit de réfrigération des hydrocarbures fluorés en boucle fermée 26 assure la réfrigération à l'échangeur de chaleur principal 28 et à l'échangeur de
chaleur latéral 24 situé dans la boucle de l'eau de refroi-
dissement 22 Le courant GNL de réfrigérant primaire 18 est vaporisé dans les échangeurs aval 38 et 36 contre l'azote de refroidissement de condensation et dans l'échangeur 58
contre l'hydrocarbure fluoré dans le circuit de réfrigéra-
tion 26 et sort du procédé sous forme de produit par le
courant 20.
Les hydrocarbures fluorés sont utilisés depuis longtemps comme fluide de recirculation pour éviter d'amener des courants d'azote gazeux basse pression à proximité du GNL dans les échangeurs de chaleur Si tel n'était pas le cas, en cas de fuite, les hydrocarbures contamineraient
l'azote liquide qui quitte les séparateurs en aval Cepen-
dant, l'utilisation d'hydrocarbures fluorés entraîne des pertes énergétiques supplémentaires en raison des échangeurs de chaleur et des besoins en puissance pour la pompe;
échangeur 58 et pompe d'appoint 60 L'utilisation d'hydro-
carbures fluorés présente également de nouvelles implica-
tions pour l'environnement tandis que l'utilisation de fluides de circulation en variante implique des coûts
d'exploitation supplémentaires.
Le procédé selon la présente invention va maintenant être décrit en détail en ce qui concerne la liquéfaction de
l'azote obtenu à partir d'une unité de séparation d'air.
L'unité de séparation d'air utilisée dans ce but permet un
procédé de distillation d'air à double colonne classique.
Les détails de ce procédé peuvent être trouvés dans un travail réalisé par R E Latimer, "Distillation of Air",
Chemical Engineering Progress, pp 35-39, Février 1967.
Cependant, le procédé que l'on va décrire peut s'appliquer
à toute configuration de colonne de distillation.
La figure 2 décrit le procédé de la présente inven-
tion dans son mode de réalisation le plus simple Dans ce mode de réalisation, l'azote à liquéfier est fourni à partir d'une unité de séparation d'air (non représentée) sous forme de courants haute pression et basse pression Le courant d'azote haute pression provient de la colonne haute pression à une pression supérieure à 5,273 Kg/cm 2 pression absolue ( 75 de pression absolue en psi) et l'azote basse pression est obtenu à partir de la colonne basse pression à une
pression supérieure à ou proche de la pression ambiante.
Ces courants sont fournis sous forme de courants chauds (proches de la température ambiante) et de courants froids au système de liquéfacteur L'alimentation mixte équilibre les courbes de refroidissement dans les échangeurs de
chaleur (non représentés) utilisés dans l'unité de sépara-
tion d'air pour refroidir le courant d'air de charge amené
à celle-ci.
Le courant d'azote basse pression 80 est amené à une température proche de la température ambiante Le courant 82 amène de l'azote basse pression à une température située
entre -1010 C (-150 'F) jusqu'à 1480 C ( 3000 F) Facultative-
ment, de la vapeur de gaz brulé provenant du réservoir de stockage d'azote liquide (non représenté) est amenée pour la liquéfaction sous forme du courant 84 De l'azote haute pression est fourni par la colonne de distillation haute pression (non représentée) sous forme du courant 86 à une température proche de la température de la colonne de distillation haute pression Le GNL à vaporiser est fourni
par la conduite 88 Bien que le GNL convienne à l'utilisa-
tion comme réfrigérant à n'importe quelle pression; en principe la pression se situera entre 7,030 Kg/cm 2 ( 100 psi)
jusqu'à 84,368 Kg/cm 2 ( 1 200 psi) de sorte que le GNL vapo-
risé peut être envoyé sous forme de courant 90 au système de
distribution de gazoduc sans aucune compression supplémen-
taire.
Le courant d'azote basse pression 80 est d'abord refroidi avec le GNL dans l'échangeur de chaleur 92 puis alimenté au compresseur 94 Les courants d'entrée d'azote froids basse pression 82 et 84 sont combinés sous forme d'un courant 96 et utilisés pour condenser et sous- refroidir le courant divisé d'azote à pression supérieure 98 dans les échangeurs de chaleur 100 et 102 Le courant de charge combiné résultant légèrement réchauffé 104 est mélangé avec un courant d'azote refroidi basse pression 106 en un courant combiné 108 Le courant combiné 108 est comprimé dans un
compresseur à froid 94 à une pression telle que la tempéra-
ture du courant d'azote en surpression 110 est inférieure à la température ambiante En principe, cette température se situe dans la plage de -730 C (-1000 F) jusqu'à la température
ambiante. Le courant d'azote en surpression 110 est légèrement réchauffé dans
l'échangeur de chaleur 112 contre de l'eau refroidie (conduite 114) puis est refroidi par l'échangeur de chaleur contre le GNL en vaporisation dans l'échangeur de
chaleur 92 pour produire un courant froid 116 qui est ali-
menté au second étage du compresseur 118 L'échappement de ce compresseur est un courant d'azote haute pression 120 qui est à une pression analogue à celle de la pression de la
colonne de distillation haute pression de l'unité de sépara-
tion d'air; en principe, cette pression se situe dans la plage de 5,273 Kg/cm 2 pression absolue ( 75 pression absolue en psi) jusqu'à 14,061 Kg/cm 2 pression absolue ( 200 pression absolue en psi) Le courant d'azote haute pression 120 est ajouté et mélangé avec un azote haute pression froid 122
pour produire un courant d'azote combiné haute pression 124.
Le courant d'azote combiné haute pression 124 est
alors comprimé à froid dans le troisième étage du compres-
seur 126 pour obtenir un courant d'azote 128 qui est par-
tiellement refroidi dans l'échangeur de chaleur principal 92 et alimenté sous forme de courant 129 au quatrième étage du
compresseur 130 produisant ainsi un courant d'azote à pres-
sion élevée 132 Le courant d'azote 132 est alors comprimé dans le cinquième étage du compresseur 134 pour fournir le courant d'azote à pression supérieure 136 La pression du courant 136 se situe dans la plage de 24,607 Kg/cm 2 à ,460 Kg/cm 2 ( 350 à 1 500 psi) et de façon typique dans
la plage de 42,184 Kg/cm 2 à 85,774 Kg/cm 2 ( 600 à 1 220 psi).
Etant donné que le prérefroidissement du GNL est effectué dans l'échangeur 92, la température du courant d'entrée aux quatre compresseurs (à l'exception éventuelle du dernier étage du compresseur 134) sera inférieure à la température ambiante En principe, la température se situera dans la plage de -45,50 C (-50 *F) jusqu'à -1620 C (-2600 F) et plus vraisemblablement de -67 o C (-900 F) jusqu'à -140 OC (-2200 F) Il est intéressant de noter que les courants d'entrée aux compresseurs froids 94, 118 et 130 sont prélevés de l'échangeur de chaleur 92 en des emplacements différents Le refroidissement des courants d'azote à différentes températures dans l'échangeur de chaleur chaud
92 pour la compression à froid permet d'utiliser correcte-
ment la réfrigération disponible dans le courant GNL tout en
minimisant l'énergie utilisée dans ces compresseurs.
Le courant d'azote à pression supérieure 136 est refroidi avec l'eau de refroidissement dans l'échangeur 137 et il est divisé en deux souscourants d'azote à pression supérieure 138 et 140 Le premier sous- courant d'azote à pression supérieure 140 est refroidi dans l'échangeur de chaleur 92 puis il est expansé isentropiquement dans l'expanseur 142 produisant ainsi le courant 144 La pression du courant 144 est maintenant analogue à la pression
d'entrée de l'entrée du courant d'azote haute pression 86.
Le courant d'entrée augmenté 146 est combiné au courant 144 et le courant combiné, conduite 147, est utilisé dans les échangeurs de chaleur 100 et 102 pour refroidir l'autre courant d'azote à pression supérieure 98 L'expanseur 142 pour le courant 168 peut être chargé avec un générateur de puissance électrique Dans le mode préféré, l'expanseur 142
est accouplé au premier étage du compresseur 134 et l'éner-
gie obtenue à partir de cet expanseur 142 est utilisée pour comprimer le courant d'azote à pression élevée 132 dans le compresseur 134. Le sous-courant d'azote à pression supérieure 138 est refroidi dans les échangeurs de chaleur 92, 102 et 100 contre le GNL en vaporisation et les courants d'azote gazeux froids en retour, c'est-à-dire les courants 147 et 96 en provenance de l'échangeur de chaleur 100, produisant ainsi le courant 148 qui est encore sous-refroidi dans l'échangeur de chaleur 100 pour obtenir un courant d'azote froid à pression supérieure 150 La pression du courant 150 est réduite à une pression d'environ 5, 273 Kg/cm 2 ( 75 psi) jusqu'à 14,061 Kg/cm 2 ( 200 psi) en l'alimentant à un expanseur de fluide dense 152 Cette expansion isentropique du courant 150 rend le procédé plus efficace Le courant d'échappement 153 peut de plus être réduit en pression et amené au séparateur 154 En variante, le courant d'azote froid à pression supérieure 150 peut dériver l'expanseur de fluide dense par le courant 156 et être réduit en pression par la vanne isenthalpique 158 D'une manière ou d'une autre, le courant froid à pression réduite est alimenté au
séparateur de phase 154 La pression de service du sépara-
teur 154 est analogue à la pression du courant d'azote gazeux d'entrée haute pression 86, c'est-à-dire 5,273 Kg/cm 2 ( 75 psi) jusqu'à 14,061 Kg/cm 2 ( 200 psi) Le courant de vapeur 160 en provenance du séparateur 154 est mélangé au reste du courant d'azote froid 86 et envoyé à l'échangeur de chaleur 100 sous forme de courant 146 pour la poursuite du traitement Le courant de fond d'azote liquide 162 en provenance du séparateur 154 est réduit en pression et alimenté au séparateur de phase 164 Le courant de fond d'azote liquide 166 provenant du séparateur 164 est envoyé à l'unité de séparation d'air (non représentée) pour la poursuite du traitement et la production de produits liquides Dans l'unité de séparation d'air, d'autres produits liquides tels que de l'oxygène liquide et de l'argon liquide peuvent être facilement produits en utilisant la réfrigération provenant de l'oxygène liquide fourni par la conduite 166 du liquéfacteur.
EXEMPLE
On a effectué des simulations du procédé sur ordinateur pour déterminer la relation fonctionnelle entre la quantité d'azote liquide produite et la quantité de GNL disponible Les résultats calculés sont récapitulés dans le tableau I ci-dessous pour le cas o le rapport entre l'azote liquide produit et l'oxygène liquide produit en provenance
d'une unité de séparation d'air est égal à 3.
TABLEAU I
Tonnes Azote liquide par tonne GNL KWH/Tonne Azote liquide
0,48 207
0,56 248
0,67 264
sans GNL 470 La dernière entrée du tableau I concerne une
installation de liquéfaction entièrement électrique, c'est-
à-dire dans laquelle on n'utilise pas de GNL pour la réfrigération Les consommations de puissance énumérées comprennent la puissance consommée par l'unité de séparation d'air pour produire l'azote gazeux et les courants de charge d'oxygène.
Le tableau II montre les températures d'entrée/-
sortie aux différents compresseurs à partir de l'une des simulations sur ordinateur pour le procédé décrit à la
figure 2.
TABLEAU II
Premier étage, courant d'entrée 108 Premier étage, courant de sortie 11 Second étage, courant d'entrée 116 Second étage, courant de sortie 120 Troisième étage, courant d'entrée 124 Troisième étage, courant de sortie 128 Quatrième étage, courant d'entrée 129 Quatrième étage, courant de sortie 132 Cinquième étage, courant de sortie 138 Courant intérieur d'azote froid 168 vers l'expanseur 142: Expanseur 142, courant de sortie 144 o C
_ 30,5
,5 ,5 F On constate facilement que les températures d'entrée de chacun des cinq compresseurs sont différentes les unes des autres Ces différences de température facilitent la bonne utilisation de la réfrigération disponible dans le courant de GNL tout en réduisant la consommation d'énergie
électrique nécessaire pour faire fonctionner ces compres-
seurs De même, les courbes de refroidissement dans l'échangeur de chaleur 92 sont moins irréversibles A noter que dans le tableau II l'entrée principale au dernier étage du compresseur froid 134 n'a pas été refroidie contre le GNL mais est en circulation de flux direct avec le compresseur De même, la température d'entrée du courant comprimé intermédiaire 168 vers l'expanseur froid 142 a été choisie
à un niveau approprié.
Bien que la figure 2 décrive le mode de réalisation préféré de la présente invention, il existe un certain manque d'efficacité L'une de celles-ci est le mélange du courant d'échappement 120 du compresseur froid 118 qui est à -30,50 C (-230 F) avec un courant froid 122 qui est à -1260 C (-1950 F) pour fournir le courant d'entrée 124 pour refroidir le compresseur 126 qui est à -790 C (-1110 F) On peut facilement remédier à cette inefficacité en chauffant davantage le courant de recyclage 122 dans l'échangeur de chaleur 92 à un niveau de température approprié (non représenté) avant de procéder au mélange avec le courant comprimé 120 En même temps, le courant 120 devra être refroidi dans l'échangeur de chaleur 92 au même niveau de température approprié Les deux courants devront alors être
mélangés pour fournir un courant d'entrée 124 pour le troi-
sième étage du compresseur froid 126 Ces étapes rendront les courants d'entrée à certains des compresseurs froids encore plus froids et réduiront ainsi la consommation d'énergie. La figure 3 montre un autre mode de réalisation du procédé de la figure 2 Dans ce mode de réalisation, l'étage
intermédiaire du compresseur 126 A fait appel au refroidisse-
ment intermédiaire du courant 128 A dans l'échangeur 92 A avant de ramener le courant 129 A au compresseur froid 126 B et le courant d'entrée 132 B qui est alimenté au dernier étage du compresseur 134 A est refroidi à une température
appropriée.
Le courant de recyclage 132 A subit une compression à froid à deux étages et il est prérefroidi dans l'échangeur 92 A avant son introduction sous forme de courant 132 B dans le dernier étage du compresseur froid 134 A De façon à peu près analogue, le courant comprimé 128 A en provenance du compresseur 126 A est de nouveau refroidi dans l'échangeur 92 A et forme le courant 129 A qui est comprimé dans le compresseur 126 B.
La figure 4 décrit encore un autre mode de réalisa-
tion du procédé de la figure 2 Dans ce mode de réalisation, les courants d'entrée d'azote gazeux extrémité chaude 80 B et sont prérefroidis dans l'échangeur 112 B contre une portion 138 B de courant d'azote à pression supérieure 138 A prélevée du dernier étage du compresseur froid 134 B La petite portion 138 C de l'azote à pression supérieure 138 A ainsi qu'une portion de courant de charge d'azote à pression
moyenne 142 sont utilisées pour réchauffer et faire vapori-
ser le courant d'oxygène 144 dont la pression a été augmen-
tée par la pompe 144 A jusqu'à la pression de gazoduc.
L'oxygène réchauffé sort sous forme de courant 146 Sinon, la configuration du procédé est équivalente sur le plan fonctionnel au procédé du mode de réalisation spécifique de la figure 3 en ce qui concerne la compression du courant
multiétages associée au refroidissement en étage inter-
médiaire Le mode de réalisation de la figure 4 permet d'intégrer la compression de l'azote avec un système à oxygène liquide pompé de telle sorte qu'une portion du courant d'azote comprimé récupère la réfrigération provenant d'un courant d'oxygène liquide pompé pour amener un produit
d'oxygène gazeux à une pression élevée Ce mode de réalisa-
tion permet de réduire les coûts liés à un compresseur d'oxygène. Pour les procédés des deux figures 2 et 3, le courant d'azote à pression inférieure est refroidi à la température inférieure pour la première compression à froid,
(c'est-à-dire courant d'entrée 108 vers le compresseur 94).
Lorsque la pression du courant et son débit sont accrus, les
* températures des étapes de compression à froid sont augmen-
tées successivement Cependant, il convient de noter que ceci n'est pas toujours vrai En fonction de la quantité de réfrigération de GNL disponible, les compresseurs froids tels que 126 et 130 peuvent avoir des températures d'entrée inférieures aux compressions 94 et 118, ce qui est contraire au tableau II Le but principal est d'équilibrer les courbes de refroidissement dans l'échangeur de chaleur 92 côté
chaud, autant que faire se peut Pour obtenir ceci, diffé-
rentes combinaisons de température d'entrée aux compresseurs froids peuvent être tentées, comme cela apparaîtra à l'homme de l'art de façon à obtenir un équilibrage de température d'entrée le plus optimum; en l'occurrence un équilibrage donnant la consommation énergétique la plus basse ou fournissant la meilleure utilisation de la réfrigération
disponible à partir du GNL.
Le GNL est en principe composé de plus d'un seul
constituant et ceux-ci se vaporisent à différentes tempé-
ratures Ceci entraine des capacités thermiques relativement élevées du gaz naturel en vaporisation sur une vaste plage de températures En revanche, la capacité thermique des courants d'azote de refroidissement dépend fortement de la température et de la pression Pour les températures dans la plage de la température ambiante jusqu'à -129 C (- 200 F), la
capacité thermique d'un courant d'azote aux pressions infé-
rieures à 7,030 Kg/cm 2 pression absolue ( 100 pression abso-
lue en psi) est d'environ 7 Kcal/Kg mole C Par contre, un
courant d'azote à 56,245 Kg/cm 2 pression absolue ( 800 pres-
sion absolue en psi) a une capacité thermique d'environ 7,6 Kcal/Kg mole C à 24 C ( 75 F), 9 Kcal/Kg mole C à -73 C (-100 F), 11 Kcal/Kg mole C à -101 C (-150 F), et
environ 24 Kcal/Kg mole C à -128 C (-200 F).
Le courant de GNL ( 91,4 % CH 4, 5,2 % C 2 H 6 et 3,4 % C 2 +) à 50,967 Kg/cm 2 pression absolue ( 725 pression absolue en psi) a des capacités thermiques approximatives de 14 Kcal/Kg mole C dans la plage de température de -107 C (-160 F) jusqu'à -151 C (-240 F); 19, 6 % Kcal/Kg mole C à -840 C (-120 F), 25,6 Kcal/Kg mole C à -73 C ( F), 21,5
Kcal/Kg mole C à -45,5 C (-50 F), et 11,5 Kcal/Kg mole O C au-
dessus de -17 C ( O F) Ainsi, la quantité de GNL utilisée pour refroidir la pression la plus élevée par exemple 52,730 Kg/cm 2 pression absolue ( 750 pres-sion absolue en psi), courant d'azote 98 dans l'échangeur de chaleur froid 102 jusqu'à (-117 C (-180 F) jusqu'à -156 C (-250 F) plage de température) aura plus de réfrigération pour refroidir les courants autres que ce courant d'azote à pression supérieure 98 à des températures supérieures dans l'échangeur de
chaleur 92.
Etant donné qu'à des températures inférieures à -117 C (-180 F), le courant d'azote à pression supérieure 98 a une capacité thermique soit comparable à, soit supérieure à GNL Aux températures supérieures à -1010 C (-1500 F) sa capacité est de loin inférieure au GNL Entre la température ambiante jusqu'à -1010 C (-1500 F), la capacité thermique de l'azote à pression supérieure est inférieure à la moitié du GNL en vaporisation Ceci implique que pour obtenir une récupération efficace de toute l'énergie de réfrigération
entre la température ambiante et -117 'C (-180 'F), emmaga-
sinée dans le GNL, d'autres courants hormis le courant
d'azote à pression supérieure 98 doivent être refroidis.
Le procédé selon l'invention utilise efficacement la réfrigération disponible à une température supérieure à -1170 C (-1800 F) en refroidissant des courants d'azote à pression inférieure ainsi que le courant d'azote à pression supérieure dans l'échangeur de chaleur 92 Des courants d'azote d'entrée à pression inférieure 80, 110 et 128 sont refroidis et comprimés L'énergie de compression réchauffe le courant d'azote intérieur 110 qui est de nouveau refroidi par le GNL dans l'échangeur de chaleur 92 En raison du
refroidissement de l'azote comprimé après chaque compres-
sion, l'enthalpie du GNL à partir de l'échangeur de chaleur
chaud 92 est considérablement supérieure Ceci permet d'uti-
liser de façon plus complète l'énergie froide emmagasinée
dans le GNL.
Dans le procédé décrit, après une utilisation efficace de la réfrigération du GNL dans l'échangeur de chaleur chaud 92 (température ambiante inférieure à -123 o C (-1900 F) plage de température), la réfrigération dans l'échangeur de chaleur froid en aval 102 est complétée par l'expansion du courant d'azote froid haute pression 168 dans l'expanseur 142 Ceci transfère de façon plus efficace une
partie de la réfrigération du GNL dans la plage de tempéra-
ture allant de la température ambiante jusqu'à -123 o C (-190 'F) jusqu'aux températures inférieures Ceci facilite
également la condensation de plus grandes quantités d'azote.
Comme cela a été indiqué précédemment, pour con-
denser l'azote à des températures dans la plage de -1290 C (-200 'F) jusqu'à -1620 C (-2600 F), il doit être comprimé à une température considérablement supérieure Dans le procédé selon l'invention, l'azote est prérefroidi avant chaque étape de compression Ceci réduit considérablement la consommation d'énergie du procédé de liquéfaction Ainsi, le procédé selon la présente invention utilise efficacement l'énergie froide emmagasinée dans le GNL et permet d'obtenir un produit d'azote liquide avec une consommation énergétique faible. On a décrit la présente invention en référence à certains modes de réalisation spécifiques de celle-ci Ces modes de réalisation ne doivent pas être considérés comme limitant la portée de la présente invention La portée de
l'invention est définie par les revendications suivantes.

Claims (6)

REVENDICATIONS
1 Procédé pour la liquéfaction d'un courant d'azote produit par une unité de séparation d'air cryogénique ayant au moins une colonne de distillation comprenant les étapes consistant à: (a) comprimer le courant d'azote à une pression d'au moins 21,092 Kg/cm 2 ( 300 psi) dans un compresseur à étages multiples dans lequel le refroidissement intermédiaire est assuré par échange thermique contre le gaz naturel liquéfié en vaporisation; (b) diviser le courant d'azote comprimé en des premier et des second sous-courants d'azote comprimés; (c) refroidir le premier sous- courant d'azote comprimé par échange thermique contre du gaz naturel liquéfié en vaporisation puis expanser le premier sous-courant d'azote comprimé refroidi pour produire un sous-courant d'azote expansé; (d) condenser le second sous-courant d'azote comprimé par échange thermique contre le gaz
naturel liquéfié en vaporisation et le sous-
courant d'azote expansé de l'étape (c); (e) réduire la pression du second courant d'azote comprimé condensé produisant ainsi un courant d'azote à deux phases; (f) procéder à la séparation de phase du courant d'azote à deux phases en un courant d'azote liquide et en un courant de vapeur d'azote; et (g) réchauffer le courant de vapeur d'azote pour
récupérer la réfrigération.
2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en
ce qu'il comprend de plus l'étape consistant à sous refroi-
dir le second sous-courant d'azote comprimé condensé de l'étape (d) avant de réduire la pression de l'étape (e) par échange thermique contre le courant de vapeur d'azote en réchauffement (g) et le sous-courant d'azote expansé de
l'étape (c).
3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus le recyclage du courant de vapeur d'azote chauffé de l'étape (g) à un étage intermédiaire du
compresseur à étages multiples de l'étape (a).
4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la réduction de la pression de l'étape (e) s'effectue par expansion du courant d'azote comprimé condensé dans un
expanseur de fluide dense.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus le recyclage d'au moins une portion du sous-courant d'azote expansé réchauffé de l'étape (d) à un étage intermédiaire approprié du compresseur à
étages multiples de l'étape (a).
6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en
ce que la température du premier sous-courant d'azote com-
primé refroidi de l'étape (c) se situe entre -73 o C (-100 'F)
et -1570 C (-2500 F) avant expansion.
7 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une portion du courant d'azote comprimé de l'étape (a) est refroidie et condensée par échange thermique contre un courant d'oxygène liquide pompé produisant ainsi un courant de produit d'oxygène sous pression et un courant d'azote condensé qui est combiné avec le second sous-courant d'azote
comprimé condensé de l'étape (d).
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