FR3068772A1 - Dispositif et procede de liquefaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz - Google Patents

Dispositif et procede de liquefaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz Download PDF

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Abstract

Le procédé (300) de liquéfaction d'un gaz naturel ou d'un biogaz, comporte : - une première étape de compression (320) de dioxyde de carbone vaporisé, - une première étape d'échange (325) thermique pour refroidir le dioxyde de carbone comprimé, - une première étape d'échange (330) chaleur entre le gaz, le dioxyde de carbone refroidi et du dioxyde de carbone détendu au cours d'une étape (335) de détente du dioxyde de carbone refroidi, - l'étape (335) de détente du dioxyde de carbone refroidi au cours de la première étape d'échange (330) de chaleur, le dioxyde de carbone détendu étant fourni à la première étape d'échange (330) de chaleur, - une deuxième étape de compression (305) d'un fluide réfrigérant, - une deuxième étape d'échange (310) thermique de refroidissement du fluide réfrigérant comprimé, - une deuxième étape (360) d'échange de chaleur entre le gaz, le fluide réfrigérant refroidi et le fluide réfrigérant détendu au cours d'une étape (315) de détente du fluide réfrigérant refroidi, - le moyen (315) de détente du fluide réfrigérant refroidi au cours de la deuxième étape d'échange (360) de chaleur, le fluide réfrigérant détendu étant fourni à la deuxième étape d'échange de chaleur.

Description

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
La présente invention vise un dispositif et un procédé de liquéfaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz. Elle s’applique, notamment, au domaine du gaz naturel liquéfié, de la liquéfaction de gaz naturel, du transport de gaz naturel, du biogaz et au domaine de la liquéfaction du gaz d’évaporation.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
La liquéfaction du gaz permet le transport de gaz naturel à volume moindre par rapport au transport du gaz naturel non liquéfié.
Lors des dernières décennies, les technologies de liquéfaction ont visé les grandes capacités de gaz pour des raisons d’économie d’échelle.
La mise en œuvre des technologies ainsi utilisées requiert de très grands investissements et présente des coûts de transports très importants (infrastructures de liquéfaction marines et de réception). Ainsi, d’une part, la tendance des capacités de liquéfaction a été d’accroître le volume de gaz naturel transporté afin d’obtenir des économies d’échelle et afin de rendre l’économie de ces projets plus attractive. D’autre part, les investissements réalisés pour mettre en œuvre ces technologies ont visé ce dimensionnement et la construction de procédés de liquéfaction devant être les plus efficaces possibles afin de minimiser les coûts d’opération par la suite.
Aujourd’hui, le nombre de projets à grande échelle a fortement diminué et on observe un regain d’intérêt pour la production à petite capacité de gaz naturel liquéfié à partir de gaz naturel ou de biogaz.
En effet, la valorisation des petites sources de gaz, les gaz fatals et le biogaz sont de nouvelles opportunités promues notamment par une prise de conscience environnementale des populations et gouvernements ou une volonté d’atteindre un consommateur isolé dans des zones sans infrastructure gazière de transport et/ou distribution. Ces opportunités sont néanmoins trop petites pour justifier l’emploi des technologies destinées à la production à grandes échelle (la transposition des technologies traditionnelles n’est pas pertinente, car trop complexe et ne permettent pas de justifier de la viabilité économique de ces nouveaux projets), d’où la nécessité de proposer de nouvelles technologies qui puissent répondre aux trois principaux enjeux concernant la liquéfaction à petite échelle :
- la réduction des coûts d’investissements autant que possibles en gardant une efficacité aussi élevée que possible afin de minimiser les coûts opérationnels,
- l’augmentation de l’efficacité du procédé pour minimiser la perte de produit : les volumes de gaz à valoriser sont faibles, ce qui rend chaque molécule importante et
- la réduction des risques sanitaires, environnementaux et sécuritaires en raison de la proximité de ces technologies plus proches d’aires urbaines et la réduction de l’empreinte environnementale de ces technologies.
On connaît trois types de procédés de liquéfaction :
- les procédés à cycle fermé avec changement de phase du réfrigérant, ce dernier pouvant être un corps pur ou un mélange réfrigérant afin d'améliorer l'efficacité,
- les procédés à cycle fermé de Brayton ou à détente (expansion cycle) dans lequel le réfrigérant reste à l’état gazeux et
- les procédés à cycle ouvert, dans lequel le froid n’est pas créé mais apporté par un médium extérieur, typiquement de l’azote liquide, et où la liquéfaction du gaz naturel résulte d’un simple échange de chaleur avec le médium de froid qui se vaporise ; ce type de procédé est généralement utilisé dans des laboratoires ou à des applications très ponctuelles nécessitant très peu de performance et beaucoup de simplicité.
Les procédés à cycle fermé avec changement de phase présentent les inconvénients de nécessiter des investissements capitalistiques importants, d’être complexes dans leur mise en œuvre et de nécessiter des équipements volumineux.
Les procédés de Brayton présentent les inconvénients de présenter une performance énergétique moyenne à faible, de nécessiter des investissements capitalistiques et des coûts d’exploitation importants et de nécessiter des équipements volumineux.
Les procédés à cycle ouvert présentent les inconvénients de présenter une performance énergétique faible et un coût en approvisionnement énergétique élevé.
OBJET DE L’INVENTION
La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients.
Pour remédier à tout ou partie de ces inconvénients, la présente invention propose un procédé et un dispositif ayant pour principe général le refroidissement par des échanges thermiques successifs entre le gaz naturel ou le biogaz avec des corps ou mélanges réfrigérants. De cette manière, la température du biogaz ou du gaz naturel est progressivement abaissée jusqu’à la liquéfaction dudit biogaz ou gaz naturel.
Préférentiellement, ce refroidissement inclut un pré-refroidissement par échange thermique entre le gaz naturel ou le biogaz et un composé réfrigérant pur refroidi.
A minima, ce refroidissement inclut un échange thermique entre le gaz naturel ou le biogaz et du dioxyde de carbone refroidi. Ce refroidissement est préférentiellement réalisé après l’étape de pré-refroidissement.
Le procédé et le dispositif objets de la présente invention comportent une étape de refroidissement additionnelle, en aval de l’étape de refroidissement, entre le gaz naturel ou le biogaz et un fluide réfrigérant refroidi.
Ainsi, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif de liquéfaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz, qui comporte :
- un premier compresseur de dioxyde de carbone vaporisé,
- un premier échangeur thermique de refroidissement du dioxyde de carbone comprimé,
- un premier corps d’échange de chaleur entre :
- le gaz et le dioxyde de carbone refroidi, le dioxyde de carbone refroidi étant fourni à un moyen de détente du dioxyde de carbone,
- le gaz et le dioxyde de carbone détendu, en sortie du moyen de détente du dioxyde de carbone, le dioxyde de carbone vaporisé étant fourni au premier compresseur et
- le dioxyde de carbone détendu et le dioxyde de carbone refroidi,
- le moyen de détente du dioxyde de carbone refroidi dans le premier corps d’échange, le dioxyde de carbone détendu étant fourni au premier corps d’échange,
- un deuxième compresseur d’un fluide réfrigérant,
- un deuxième échangeur thermique de refroidissement du fluide réfrigérant comprimé,
- un deuxième corps d’échange de chaleur entre :
- le gaz en sortie du premier corps d’échange et le fluide réfrigérant refroidi, le fluide réfrigérant refroidi étant fourni à un moyen de détente du fluide réfrigérant,
- le gaz en sortie du premier corps d’échange et le fluide réfrigérant détendu, en sortie du moyen de détente du fluide réfrigérant, le fluide réfrigérant vaporisé étant fourni au deuxième compresseur et
- le fluide réfrigérant détendu et le fluide réfrigérant refroidi,
- le moyen de détente du fluide réfrigérant refroidi dans le deuxième corps d’échange, le fluide réfrigérant détendu étant fourni au deuxième corps d’échange.
Grâce à ces dispositions, le dispositif objet de la présente invention :
- ne nécessite pas la présence d’hydrocarbures lourds dans les mélanges réfrigérants, pouvant engendrer des problèmes/risques de cristallisation dans le premier corps d’échange de chaleur,
- met en œuvre un nombre réduit de composés chimiques différents en tant que réfrigérant et
- minimise les débits de circulation des réfrigérants.
De plus, l’utilisation du dioxyde de carbone comme réfrigérant permet :
- de réduire le débit du cycle réfrigérant et donc la taille du compresseur nécessaire en comparaison d’un procédé n’utilisant pas de dioxyde de carbone en tant que réfrigérant (par exemple de l’azote gazeux) et
- de réduire le nombre de composé chimiques utilisés dans le mélange réfrigérant en supprimant l’utilisation des composés de type propane et hydrocarbures plus lourds potentiellement cristallisables pour la liquéfaction du gaz.
Dans des modes de réalisation, le fluide réfrigérant en sortie du deuxième échangeur thermique est fourni au premier corps d’échange, le fluide réfrigérant étant refroidi par échange de chaleur avec le dioxyde de carbone dans le premier corps d’échange, le fluide réfrigérant en sortie du premier corps d’échange étant fourni au deuxième corps d’échange.
Ces modes de réalisation permettent de refroidir le réfrigérant et gagner en efficacité énergétique.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte :
- un troisième compresseur d’un composé réfrigérant pur vaporisé,
- un troisième échangeur thermique de refroidissement du composé réfrigérant comprimé,
- un troisième corps d’échange de chaleur entre :
- le composé réfrigérant détendu et le composé réfrigérant refroidi pour refroidir le composé réfrigérant, le composé réfrigérant refroidi étant fourni à un moyen de détente du composé réfrigérant,
- le gaz et le composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le composé réfrigérant vaporisé étant fourni au troisième compresseur et le gaz refroidi étant fourni au premier corps d’échange de chaleur et
- le moyen de détente du composé réfrigérant refroidi dans le troisième corps d’échange, le composé réfrigérant détendu étant fourni au troisième corps d’échange.
Ces modes de réalisation permettent de pré-refroidir le gaz avant que ce gaz traverse le premier corps d’échange de chaleur.
Dans des modes de réalisation, le fluide réfrigérant en sortie du deuxième échangeur thermique est fourni au troisième corps d’échange, le fluide réfrigérant étant refroidi par échange de chaleur avec le composé réfrigérant dans le troisième corps d’échange, le fluide réfrigérant en sortie du troisième corps d’échange étant fourni au premier corps d’échange.
Ces modes de réalisation permettent de refroidir le réfrigérant et gagner en efficacité énergétique.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte un quatrième corps d’échange de chaleur entre le composé réfrigérant détendu en sortie du moyen de détente et le dioxyde de carbone refroidi en sortie de l’échangeur thermique de refroidissement du dioxyde de carbone.
Ces modes de réalisation permettent de réaliser un refroidissement plus important du dioxyde de carbone en amont de l’échange de chaleur entre le dioxyde de carbone et le gaz.
Dans des modes de réalisation, le composé réfrigérant pur est de l’ammoniac ou du propane.
Ces modes de réalisation permettent de minimiser l’utilisation des composés explosifs.
Dans des modes de réalisation, le mélange réfrigérant comporte de l’azote et/ou du méthane.
Ces modes de réalisation permettent de limiter l’utilisation de composés explosifs.
Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de liquéfaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz, qui comporte :
- une première étape de compression de dioxyde de carbone vaporisé,
- une première étape d’échange thermique pour refroidir le dioxyde de carbone comprimé,
- une première étape d’échange chaleur entre :
- le gaz et le dioxyde de carbone refroidi, le dioxyde de carbone refroidi étant fourni à une étape de détente du dioxyde de carbone,
- le gaz et le dioxyde de carbone détendu, en sortie de l’étape de détente du dioxyde de carbone, le dioxyde de carbone vaporisé étant fourni à la première étape de compression et
- le dioxyde de carbone détendu et le dioxyde de carbone refroidi,
- l’étape de détente du dioxyde de carbone refroidi au cours de la première étape d’échange de chaleur, le dioxyde de carbone détendu étant fourni à la première étape d’échange de chaleur,
- une deuxième étape de compression d’un fluide réfrigérant,
- une deuxième étape d’échange thermique de refroidissement du fluide réfrigérant comprimé,
- une deuxième étape d’échange de chaleur entre :
- le gaz en sortie de la première étape d’échange et le fluide réfrigérant refroidi, le fluide réfrigérant refroidi étant fourni à une étape de détente du fluide réfrigérant,
- le gaz en sortie de la première étape d’échange et le fluide réfrigérant détendu, en sortie de l’étape de détente du fluide réfrigérant, le fluide réfrigérant vaporisé étant fourni à la deuxième étape de compression et
- le fluide réfrigérant détendu et le fluide réfrigérant refroidi,
- l’étape de détente du fluide réfrigérant refroidi au cours de la deuxième étape d’échange de chaleur, le fluide réfrigérant détendu étant fourni à la deuxième étape d’échange de chaleur.
Dans des modes de réalisation, le fluide réfrigérant en sortie de la deuxième étape d’échange thermique est fourni à la première étape d’échange, le fluide réfrigérant étant refroidi par échange de chaleur avec le dioxyde de carbone au cours de la première étape d’échange de chaleur, le fluide réfrigérant en sortie de la première étape d’échange étant fourni à la deuxième étape d’échange.
Dans des modes de réalisation, le procédé objet de la présente invention comporte :
- une troisième étape de compression d’un composé réfrigérant pur vaporisé,
- une troisième étape d’échange thermique de refroidissement du composé réfrigérant comprimé,
- une troisième étape d’échange de chaleur entre :
- le composé réfrigérant détendu et le composé réfrigérant refroidi pour refroidir le composé réfrigérant, le composé réfrigérant refroidi étant fourni à une étape de détente du composé réfrigérant,
- le gaz et le composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le composé réfrigérant vaporisé étant fourni à la troisième étape de compression et le gaz refroidi étant fourni à la première étape d’échange de chaleur et
- l’étape de détente du composé réfrigérant refroidi au cours de la troisième étape d’échange, le composé réfrigérant détendu étant fourni à la troisième étape d’échange.
Dans des modes de réalisation, le fluide réfrigérant en sortie de la deuxième étape d’échange thermique est fourni à la troisième étape d’échange, le fluide réfrigérant étant refroidi par échange de chaleur avec le composé réfrigérant au cours de la troisième étape d’échange de chaleur, le fluide réfrigérant en sortie de la troisième étape d’échange étant fourni à la première étape d’échange.
Dans des modes de réalisation, le procédé objet de la présente invention comporte une quatrième étape d’échange de chaleur entre le composé réfrigérant détendu en sortie de l’étape de détente et le dioxyde de carbone refroidi en sortie de l’étape d’échange thermique de refroidissement du dioxyde de carbone.
Les buts, avantages et caractéristiques particulières du procédé objet de la présente invention étant similaires à ceux du dispositif objet de la présente invention, ils ne sont pas rappelés ici.
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, un mode de réalisation particulier d’une embarcation comportant un dispositif objet de la présente invention,
- la figure 3 représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une succession d’étapes particulière du procédé objet de la présente invention,
- la figure 4 représente, schématiquement, un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention et
- la figure 5 représente, schématiquement, un troisième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention.
DESCRIPTION D’EXEMPLES DE RÉALISATION DE L’INVENTION
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.
La présente invention propose un procédé et un dispositif ayant pour principe général le refroidissement par des échanges thermiques successifs entre le gaz naturel ou le biogaz avec des corps ou mélanges réfrigérants. De cette manière, la température du biogaz ou du gaz naturel est progressivement abaissée jusqu’à la liquéfaction dudit biogaz ou gaz naturel.
Préférentiellement, ce refroidissement par étapes inclut un pré-refroidissement par échange thermique entre le gaz naturel ou le biogaz et un composé réfrigérant pur refroidi. Cet étage de pré-refroidissement correspond au troisième corps d’échange de chaleur 150 tel que décrit en regard des figures 1, 4 et 5 et à la troisième étape d’échange de chaleur 350 telle que décrite en regard de la figure 3. Ce pré-refroidissement peut être réalisé de manière externe au procédé ou au dispositif objet de la présente invention, le gaz pré-refroidit étant alors fourni à la première étape de d’échange de chaleur 330 ou au premier corps d’échange de chaleur 130.
Ce refroidissement par étapes inclut, en guise de refroidissement principal, une étape d’échange de chaleur entre le gaz naturel ou le biogaz et du dioxyde de carbone refroidi. Ce refroidissement est préférentiellement réalisé après l’étape de pré-refroidissement mentionnée ci-dessus.
Ce refroidissement par étapes inclut, en guise de refroidissement secondaire, dit de « liquéfaction », une étape d’échange de chaleur entre le gaz naturel ou le biogaz et un fluide réfrigérant refroidi. Ce refroidissement est réalisé après l’étape de refroidissement principale mentionnée ci-dessus.
Au cours de cette étape de liquéfaction, la température du gaz est de nouveau abaissée de manière à ce que le gaz soit sensiblement liquéfié.
Alternativement, le fluide froid utilisé dans l’étape de liquéfaction traverse, avant d’être injecté dans le corps d’échange de chaleur de cette étape, le corps d’échange de chaleur mis en œuvre dans l’étape de refroidissement principal et/ou l’étape de pré-refroidissement.
Dans des variantes, le dioxyde de carbone refroidi est refroidi par échange de chaleur avec le composé réfrigérant détendu de l’étape de pré-refroidissement.
Ainsi, comme on le comprend, le gaz entrant dans le procédé est graduellement liquéfié par l’échange de chaleur entre :
- le gaz et un composé réfrigérant pur si le procédé inclut une étape de prérefroidissement,
- le gaz, un mélange réfrigérant et du dioxyde de carbone et
- le gaz et le mélange réfrigérant.
La présente description divulgue l’objet de la présente invention, en regard des figures 1, 3, 4 et 5, en présentant dans un premier temps l’étage de refroidissement principal, puis l’étape de pré-refroidissement et enfin l’étape de liquéfaction, ces deux dernières étapes étant optionnelles.
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. Ce dispositif 100 de liquéfaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz, comporte :
- un premier compresseur 120 de dioxyde de carbone vaporisé,
- un premier échangeur 125 thermique de refroidissement du dioxyde de carbone comprimé,
- un premier corps 130 d’échange de chaleur entre :
- le gaz et le dioxyde de carbone refroidi, le dioxyde de carbone refroidi étant fourni à un moyen 135 de détente du dioxyde de carbone,
- le gaz et le dioxyde de carbone détendu, en sortie du moyen de détente du dioxyde de carbone, le dioxyde de carbone vaporisé étant fourni au premier compresseur et
- le dioxyde de carbone détendu et le dioxyde de carbone refroidi,
- le moyen 135 de détente du dioxyde de carbone refroidi dans le premier corps d’échange, le dioxyde de carbone détendu étant fourni au premier corps d’échange,
- un deuxième compresseur 105 d’un fluide réfrigérant,
- un deuxième échangeur 110 thermique de refroidissement du fluide réfrigérant comprimé,
- un deuxième corps 160 d’échange de chaleur entre :
- le gaz en sortie du premier corps 130 d’échange et le fluide réfrigérant refroidi, le fluide réfrigérant refroidi étant fourni à un moyen 115 de détente du fluide réfrigérant,
- le gaz en sortie du premier corps 130 d’échange et le fluide réfrigérant détendu, en sortie du moyen de détente du fluide réfrigérant, le fluide réfrigérant vaporisé étant fourni au deuxième compresseur et
- le fluide réfrigérant détendu et le fluide réfrigérant refroidi,
- le moyen 115 de détente du fluide réfrigérant refroidi dans le deuxième corps d’échange, le fluide réfrigérant détendu étant fourni au deuxième corps d’échange.
Le premier compresseur 120 est, par exemple, un compresseur à pistons sec, un compresseur centrifuge ou un compresseur alternatif. Ce premier compresseur 120 permet d’élever la pression du dioxyde de carbone. La pression de sortie du dioxyde de carbone est fixée en fonction de la pression saturante du dioxyde de carbone et des pertes de charges du circuit de dioxyde de carbone afin de permettre au dioxyde de carbone liquide de s’évaporer à une température comprise entre 35°C et -45°C. La température d’évaporation est choisie en fonction de l’approche de l’échangeur de chaleur ; c’est-à-dire de l’écart de température minimum, donnée communiquée par le constructeur. En entrée du premier compresseur 120, le dioxyde de carbone présente une pression comprise entre 5 et 10 bar, préférentiellement entre 8 et 9 bar.
Lors de cette compression, le dioxyde de carbone subit un réchauffement important et présente une pression supérieure à 20 bar, par exemple 36 bar. Ce flux de dioxyde de carbone est dirigé vers le premier échangeur 125 thermique pour y être refroidit. Ce premier échangeur 125 thermique est, par exemple, un échangeur tubulaire utilisant en tant que fluide froid de l’air ou de l’eau. En sortie de ce premier échangeur 125, le dioxyde de carbone est refroidi à une température d’environ comprise préférentiellement entre 7°C et 30°C, par exemple 24°C.
Le dioxyde de carbone sortant de ce premier échangeur 125 est ensuite dirigé vers le premier corps 130 d’échange.
Ce premier corps 130 d’échange présente deux extrémités :
- l’une, dite « chaude », correspond à la partie du premier corps 130 à proximité de l’entrée de gaz dans ce premier corps 130 d’échange et
- l’autre, dite « froide », correspond à la partie du premier corps 130 à proximité de la sortie de gaz refroidi de ce premier corps 130 d’échange.
Préférentiellement, le dioxyde de carbone refroidi sortant du premier échangeur 125 est injecté dans le premier corps 130 d’échange au niveau de l’extrémité chaude du premier corps 130 d’échange. Le dioxyde de carbone est liquéfié et sous-refroidi au cours de l’échange de chaleur, avec le dioxyde de carbone détendu et/ou le mélange réfrigérant, réalisé dans le premier corps 130 d’échange.
Le dioxyde de carbone sous refroidi et liquéfié, qui présente en sortie du premier corps 130 d’échange une température comprise entre -10°C et 5°C par exemple, est détendu dans le moyen 135 de détente du dioxyde de carbone. Le moyen 135 de détente est, par exemple, une vanne Joule-Thomson réalisant une détente isenthalpique du dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone refroidi est détendu à une pression comprise entre 7 et 10 bar, par exemple, 9 bar. Dans des variantes, le moyen de détente 135 est une turbine de détente. Une telle turbine de détente permet de récupérer l’énergie de détente pour entraîner les moyens de compression du dispositif 100 et ainsi améliorer l’efficacité énergétique du procédé. Le dioxyde de carbone détendu est ensuite fourni au premier corps 130 d’échange de manière à participer au refroidissement du gaz et du dioxyde de carbone refroidi par le premier échangeur 125 thermique.
Le dioxyde de carbone vaporisé au cours de l’échange thermique réalisé dans le premier corps 130 d’échange est fourni au premier compresseur 120 de manière à former un cycle. Le premier corps 130 d’échange est de type PFHE (pour « Plate-fin heat exchanger », traduit par échangeur de chaleur à plaques) ou BAHX (pour « Brazed aluminium heat exchanger », traduit par échangeur de chaleur en aluminium brasé) par exemple.
Ainsi, plusieurs échanges de chaleur ont lieu au sein du premier corps 130 d’échange :
- un premier échange entre le dioxyde de carbone détendu et le dioxyde de carbone refroidi pour refroidir le dioxyde de carbone détendu, le dioxyde de carbone refroidi étant fourni à un moyen 135 de détente du dioxyde de carbone et
- un deuxième échange entre le gaz et le dioxyde de carbone détendu pour refroidir le gaz, le dioxyde de carbone vaporisé étant fourni au premier compresseur 120.
Le premier corps 130 d’échange est configuré pour qu’en sortie, le gaz présente une température comprise entre -30°C et -40°C. En entrée, le gaz présente une température comprise entre 0 et -10°C avec préférentiellement une température comprise entre -8°C à -10°C.
Le fluide réfrigérant mis en œuvre au cours de l’étape de liquéfaction, correspondant à la deuxième étape 360 d’échange de chaleur de la figure 3, comporte, par exemple, de l’azote, du méthane, de l’éthane, de l’éthylène, du propane, un iso-butane, un iso-pentane, un normal butane et/ou npentane. Par exemple, le fluide réfrigérant est constitué de 99% de méthane. Le fluide réfrigérant est préférentiellement un corps pur, mais peut également être un mélange. En particulier, le fluide réfrigérant peut-être du BOG (de « Boil-off gas » pour gaz d’évaporation). Ce BOG peut provenir d’un réservoir à bord d’un navire par exemple.
Le deuxième compresseur 105 est, par exemple, un compresseur centrifuge ou alternatif. Ce deuxième compresseur 105 permet, par exemple, d’élever la pression du fluide réfrigérant à une pression supérieure à 40 bar, préférentiellement entre 60 et 80 bar. En entrée du deuxième compresseur 105, le fluide réfrigérant présente, par exemple, une pression de comprise entre 2 barg et 4 barg préférentiellement.
Préférentiellement, ce deuxième compresseur 105 comprime le fluide réfrigérant en deux étapes de compression successives. Dans des variantes, le fluide réfrigérant comprimé est refroidi par un échangeur de chaleur (non représenté) avant d’être comprimé dans la deuxième étape de compression. Cet échangeur de chaleur (non représenté) est, par exemple, un échangeur tubulaire utilisant en tant que fluide froid de l’air ou de l’eau. L’échangeur de chaleur réalisé entre les deux étapes de compression vise à ce que le fluide réfrigérant ne dépasse pas la température de 200°C.
Le deuxième échangeur 110 thermique est, par exemple, un échangeur tubulaire utilisant en tant que fluide froid de l’air ou de l’eau. Ce deuxième échangeur 110 thermique vise à refroidir le fluide réfrigérant comprimé à une température comprise, préférentiellement, entre 10°C et25°C.
Ce deuxième corps 160 d’échange présente deux extrémités :
- l’une, dite «chaude», correspond à la partie du deuxième corps 160 à proximité de l’entrée de gaz dans ce deuxième corps 160 d’échange et
- l’autre, dite «froide», correspond à la partie du deuxième corps 160 à proximité de la sortie de gaz refroidi de ce deuxième corps 160 d’échange.
Préférentiellement, le fluide réfrigérant refroidi sortant du deuxième échangeur 110 thermique est injecté dans le deuxième corps 160 d’échange au niveau de l’extrémité chaude du deuxième corps 160 d’échange. Le fluide réfrigérant est liquéfié et sous-refroidi au cours de l’échange de chaleur, avec le fluide réfrigérant détendu.
Le fluide réfrigérant sous refroidi et liquéfié est détendu dans le moyen 115 de détente du fluide réfrigérant. Le moyen 115 de détente est, par exemple, une vanne Joule-Thomson réalisant une détente isenthalpique du fluide réfrigérant. Le fluide réfrigérant refroidi est détendu à une pression, par exemple, comprise entre 2 barg et 4 barg. Dans des variantes, le moyen de détente 115 est une turbine de détente. Une telle turbine de détente permet de récupérer l’énergie de détente pour entraîner les moyens de compression du dispositif 100 et ainsi améliorer l’efficacité énergétique du procédé.
Le fluide réfrigérant détendu est ensuite fourni au deuxième corps 160 d’échange de manière à participer au refroidissement du gaz.
Le fluide réfrigérant vaporisé au cours de l’échange thermique réalisé dans le deuxième corps 160 d’échange est fourni au deuxième compresseur 105 de manière à former un cycle. Le deuxième corps 160 d’échange est de type PFHE (pour « Plate-fin heat exchanger », traduit par échangeur de chaleur à plaques) ou BAHX (pour « Brazed aluminium heat exchanger», traduit par échangeur de chaleur en aluminium brasé) par exemple.
Ainsi, plusieurs échanges de chaleur ont lieu au sein du deuxième corps 160 d’échange :
- un premier échange entre le fluide réfrigérant détendu et le fluide réfrigérant refroidi pour refroidir le dioxyde de carbone détendu, le fluide réfrigérant refroidi étant fourni à un moyen 115 de détente du fluide réfrigérant et
- un deuxième échange entre le gaz et le fluide réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le fluide réfrigérant vaporisé étant fourni au deuxième compresseur 105.
Le deuxième corps 160 d’échange est configuré pour qu’en sortie, le gaz présente une température inférieure à -140°C. En entrée, le gaz présente préférentiellement une température comprise entre -30°C et -40°C.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 4, le fluide réfrigérant en sortie du deuxième échangeur 110 thermique est fourni au premier corps 130 d’échange, le fluide réfrigérant étant refroidi par échange de chaleur avec le dioxyde de carbone dans le premier corps 130 d’échange, le fluide réfrigérant en sortie du premier corps 130 d’échange étant fourni au deuxième corps 160 d’échange.
Préférentiellement, l’entrée pour fluide réfrigérant dans ce premier corps 130 d’échange est positionnée dans l’extrémité chaude et la sortie pour ce fluide réfrigérant est positionnée dans l’extrémité froide.
Le fluide réfrigérant traversant le premier corps 130 d’échange participe au refroidissement du gaz et du dioxyde de carbone refroidi par le premier échangeur 125 thermique.
Le fluide réfrigérant refroidi au cours de l’échange thermique réalisé dans le premier corps 130 d’échange est fourni au deuxième corps 160 d’échange de chaleur manière à former un cycle.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en regard des figures 1,4 et 5, le dispositif, 100, 400 et/ou 500, comporte :
- un troisième compresseur 140 d’un composé réfrigérant pur vaporisé,
- un troisième échangeur 145 thermique de refroidissement du composé réfrigérant comprimé,
- un troisième corps 150 d’échange de chaleur entre :
- le composé réfrigérant détendu et le composé réfrigérant refroidi pour refroidir le composé réfrigérant, le composé réfrigérant refroidi étant fourni à un moyen 155 de détente du composé réfrigérant,
- le gaz et le composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le composé réfrigérant vaporisé étant fourni au troisième compresseur et le gaz refroidi étant fourni au premier corps 130 d’échange de chaleur et
- le moyen 155 de détente du composé réfrigérant refroidi dans le troisième corps d’échange, le composé réfrigérant détendu étant fourni au troisième corps d’échange.
Le composé réfrigérant pur est, par exemple, de l’ammoniac ou du propane.
Le troisième compresseur 140 est, par exemple, un compresseur centrifuge ou alternatif. Ce compresseur 140 permet, par exemple, d’élever la pression du composé réfrigérant à une pression supérieure à 8 bar. En entrée, le composé réfrigérant présente, de préférence, une pression supérieure à 2 bar.
Le troisième échangeur 145 thermique est, par exemple, un échangeur tubulaire utilisant en tant que fluide froid de l’air ou de l’eau, ou eau glycolée par exemple. Ce troisième échangeur 145 thermique vise à refroidir le mélange réfrigérant comprimé à une température comprise, par exemple, entre 5°C et 20°C, par exemple 19°C.
Le composé réfrigérant sortant de ce troisième échangeur 145 est ensuite dirigé vers le troisième corps 150 d’échange.
Ce troisième corps 150 d’échange présente deux extrémités :
- l’une, dite «chaude», correspond à la partie du troisième corps 150 à proximité de l’entrée de gaz dans ce troisième corps 150 d’échange et
- l’autre, dite «froide», correspond à la partie du troisième corps 150 à proximité de la sortie de gaz refroidi de ce troisième corps 150 d’échange.
Préférentiellement, le composé réfrigérant refroidi sortant du troisième échangeur 145 est injecté dans le troisième corps 150 d’échange au niveau de l’extrémité chaude du troisième corps 150 d’échange. Le composé réfrigérant est liquéfié et sous-refroidi au cours de l’échange de chaleur, avec le composé réfrigérant détendu, réalisé dans le troisième corps 150 d’échange.
Préférentiellement, l’entrée pour composé réfrigérant dans ce troisième corps
150 d’échange est positionnée dans l’extrémité froide et la sortie pour ce composé réfrigérant est positionnée dans l’extrémité chaude.
Le mélange réfrigérant détendu traversant le troisième corps 150 d’échange participe au refroidissement du gaz et du composé réfrigérant refroidi par le troisième échangeur 145 thermique.
Le composé réfrigérant vaporisé au cours de l’échange thermique réalisé dans le troisième corps 150 d’échange est fourni au troisième compresseur 140 de manière à former un cycle.
Le composé réfrigérant sous refroidi et liquéfié est détendu dans le moyen 155 de détente du composé réfrigérant. Le moyen 155 de détente est, par exemple, une vanne Joule-Thomson réalisant une détente isenthalpique du composé réfrigérant. Le composé réfrigérant refroidi est détendu à une pression, préférentiellement comprise entre 2 et 5 bar, et préférentiellement d’environ 3 bar. Il est également possible que le composé réfrigérant soit détendu à une pression inférieure à 2 bar, mais il y a alors des risques que la pression d’aspiration du compresseur 140 ne soit plus suffisante. Dans des variantes, le moyen de détente 155 est une turbine de détente. Une telle turbine de détente permet de récupérer l’énergie de détente pour entraîner les moyens de compression du dispositif 100 et ainsi améliorer l’efficacité énergétique du procédé.
Le composé détendu est ensuite fourni au troisième corps 150 d’échange de manière à participer au refroidissement du gaz et du composé refroidi par le troisième échangeur 145 thermique. Le troisième corps 150 d’échange est de type PFHE ou BAHX par exemple.
Le troisième corps 150 d’échange est configuré pour qu’en sortie, le gaz présente une température comprise entre 0°C et -10°C préférentiellement.
Dans des modes de réalisation, tel que celui réalisé en regard de la figure 5, le fluide réfrigérant en sortie du deuxième échangeur 110 thermique est fourni au troisième corps 150 d’échange, le fluide réfrigérant étant refroidi par échange de chaleur avec le composé réfrigérant dans le troisième corps 150 d’échange, le fluide réfrigérant en sortie du troisième corps 150 d’échange étant fourni au premier corps 130 d’échange.
Dans des modes de réalisation, tel que celui réalisé en regard de la figure 5, le dispositif 500 comporte un quatrième corps 505 d’échange de chaleur entre le composé réfrigérant détendu en sortie du moyen 155 de détente et le dioxyde de carbone refroidi en sortie de l’échangeur 125 thermique de refroidissement du dioxyde de carbone.
Le quatrième corps 505 d’échange est, par exemple, un échangeur à plaques.
On observe, en figure 2, un mode de réalisation d’une embarcation 200 comportant un dispositif 100, 400 ou 500 tel que décrit en regard des figures 1, 4 et
5.
On observe, en figure 3, un mode de réalisation du procédé 300 objet de la présente invention. Ce procédé 300 de liquéfaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz, qui comporte :
- une première étape de compression 320 de dioxyde de carbone vaporisé,
- une première étape d’échange 325 thermique pour refroidir le dioxyde de carbone comprimé,
- une première étape d’échange 330 de chaleur entre :
- le gaz et le dioxyde de carbone refroidi 330a, le dioxyde de carbone refroidi étant fourni à une étape 335 de détente du dioxyde de carbone,
- le gaz et le dioxyde de carbone détendu 330b, en sortie de l’étape 335 de détente du dioxyde de carbone, le dioxyde de carbone vaporisé étant fourni à la première étape de compression 320 et
- le dioxyde de carbone détendu et le dioxyde de carbone refroidi 330c,
- l’étape 335 de détente du dioxyde de carbone refroidi au cours de la première étape d’échange 330 de chaleur, le dioxyde de carbone détendu étant fourni à la première étape d’échange 330 de chaleur,
- une deuxième étape de compression 305 d’un fluide réfrigérant,
- une deuxième étape d’échange 310 thermique de refroidissement du fluide réfrigérant comprimé,
- une deuxième étape 360 d’échange de chaleur entre :
- le gaz en sortie de la première étape 330 d’échange et le fluide réfrigérant refroidi 360a, le fluide réfrigérant refroidi étant fourni à une étape 315 de détente du fluide réfrigérant,
- le gaz en sortie de la première étape 330 d’échange et le fluide réfrigérant détendu 360b, en sortie de l’étape de détente du fluide réfrigérant, le fluide réfrigérant vaporisé étant fourni au deuxième compresseur et
- le fluide réfrigérant détendu et le fluide réfrigérant refroidi 360c,
- l’étape 315 de détente du fluide réfrigérant refroidi au cours de la deuxième étape d’échange 360 de chaleur, le fluide réfrigérant détendu étant fourni à la deuxième étape d’échange de chaleur.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 3, le fluide réfrigérant en sortie de la deuxième étape d’échange 310 thermique est fourni à la première étape 330 d’échange, le fluide réfrigérant étant refroidi par échange de chaleur avec le dioxyde de carbone au cours de la première étape 330 d’échange de chaleur, le fluide réfrigérant en sortie de la première étape 330 d’échange étant fourni à la deuxième étape 360 d’échange.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 3, le procédé 300 objet de la présente invention comporte :
- une troisième étape de compression 340 d’un composé réfrigérant pur vaporisé,
- une troisième étape d’échange 345 thermique de refroidissement du composé réfrigérant comprimé,
- une troisième étape 350 d’échange de chaleur entre :
- le composé réfrigérant détendu et le composé réfrigérant refroidi pour refroidir le composé réfrigérant 350a, le composé réfrigérant refroidi étant fourni à une étape 355 de détente du composé réfrigérant,
- le gaz et le composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz 350b, le composé réfrigérant vaporisé étant fourni à la troisième étape de compression et le gaz refroidi étant fourni à la première étape 330 d’échange de chaleur et
- l’étape 355 de détente du composé réfrigérant refroidi au cours de la troisième étape d’échange, le composé réfrigérant détendu étant fourni à la troisième étape d’échange.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 3, le fluide réfrigérant en sortie de la deuxième étape d’échange 310 thermique est fourni à la troisième étape 350 d’échange, le fluide réfrigérant étant refroidi par échange de chaleur avec le composé réfrigérant 350c au cours de la troisième étape 350 d’échange de chaleur, le fluide réfrigérant en sortie de la troisième étape 350 d’échange étant fourni à la première étape 330 d’échange.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en figure 3, le procédé 300 objet de la présente invention comporte une quatrième étape 365 5 d’échange de chaleur entre le composé réfrigérant détendu en sortie de l’étape 355 de détente et le dioxyde de carbone refroidi en sortie de l’étape d’échange 325 thermique de refroidissement du dioxyde de carbone.
Le procédé 300 est mis en œuvre, par exemple, par le dispositif 500 tel que décrit en regard de la figure 5.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif (100, 400, 500) de liquéfaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz, caractérisé en ce qu’il comporte :
    - un premier compresseur (120) de dioxyde de carbone vaporisé,
    - un premier échangeur (125) thermique de refroidissement du dioxyde de carbone comprimé,
    - un premier corps (130) d’échange de chaleur entre :
    - le gaz et le dioxyde de carbone refroidi, le dioxyde de carbone refroidi étant fourni à un moyen (135) de détente du dioxyde de carbone,
    - le gaz et le dioxyde de carbone détendu, en sortie du moyen de détente du dioxyde de carbone, le dioxyde de carbone vaporisé étant fourni au premier compresseur et
    - le dioxyde de carbone détendu et le dioxyde de carbone refroidi,
    - le moyen (135) de détente du dioxyde de carbone refroidi dans le premier corps d’échange, le dioxyde de carbone détendu étant fourni au premier corps d’échange,
    - un deuxième compresseur (105) d’un fluide réfrigérant,
    - un deuxième échangeur (110) thermique de refroidissement du fluide réfrigérant comprimé,
    - un deuxième corps (160) d’échange de chaleur entre :
    - le gaz en sortie du premier corps (130) d’échange et le fluide réfrigérant refroidi, le fluide réfrigérant refroidi étant fourni à un moyen (115) de détente du fluide réfrigérant,
    - le gaz en sortie du premier corps (130) d’échange et le fluide réfrigérant détendu, en sortie du moyen de détente du fluide réfrigérant, le fluide réfrigérant vaporisé étant fourni au deuxième compresseur et
    - le fluide réfrigérant détendu et le fluide réfrigérant refroidi,
    - le moyen (115) de détente du fluide réfrigérant refroidi dans le deuxième corps d’échange, le fluide réfrigérant détendu étant fourni au deuxième corps d’échange.
  2. 2. Dispositif (400) selon la revendication 1, dans lequel le fluide réfrigérant en sortie du deuxième échangeur (110) thermique est fourni au premier corps (130) d’échange, le fluide réfrigérant étant refroidi par échange de chaleur avec le dioxyde de carbone dans le premier corps (130) d’échange, le fluide réfrigérant en sortie du premier corps (130) d’échange étant fourni au deuxième corps (160) d’échange.
  3. 3. Dispositif (100, 400, 500) selon l’une des revendications 1 ou 2, qui comporte :
    - un troisième compresseur (140) d’un composé réfrigérant pur vaporisé,
    - un troisième échangeur (145) thermique de refroidissement du composé réfrigérant comprimé,
    - un troisième corps (150) d’échange de chaleur entre :
    - le composé réfrigérant détendu et le composé réfrigérant refroidi pour refroidir le composé réfrigérant, le composé réfrigérant refroidi étant fourni à un moyen (155) de détente du composé réfrigérant,
    - le gaz et le composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz, le composé réfrigérant vaporisé étant fourni au troisième compresseur et le gaz refroidi étant fourni au premier corps (130) d’échange de chaleur et
    - le moyen (155) de détente du composé réfrigérant refroidi dans le troisième corps d’échange, le composé réfrigérant détendu étant fourni au troisième corps d’échange.
  4. 4. Dispositif (500) selon la revendication 3, dans lequel le fluide réfrigérant en sortie du deuxième échangeur (110) thermique est fourni au troisième corps (150) d’échange, le fluide réfrigérant étant refroidi par échange de chaleur avec le composé réfrigérant dans le troisième corps (150) d’échange, le fluide réfrigérant en sortie du troisième corps (150) d’échange étant fourni au premier corps (130) d’échange.
  5. 5. Dispositif (500) selon l’une des revendications 3 ou 4, qui comporte un quatrième corps (505) d’échange de chaleur entre le composé réfrigérant détendu en sortie du moyen (155) de détente et le dioxyde de carbone refroidi en sortie de l’échangeur (125) thermique de refroidissement du dioxyde de carbone.
  6. 6. Dispositif (500) selon l’une des revendications 3 à 5, dans lequel le composé réfrigérant pur est de l’ammoniac ou du propane.
  7. 7. Dispositif (100, 400, 500) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel le mélange réfrigérant comporte de l’azote et/ou du méthane.
  8. 8. Procédé (300) de liquéfaction d’un gaz naturel ou d’un biogaz, caractérisé en ce qu’il comporte :
    - une première étape de compression (320) de dioxyde de carbone vaporisé,
    - une première étape d’échange (325) thermique pour refroidir le dioxyde de carbone comprimé,
    - une première étape d’échange (330) chaleur entre :
    - le gaz et le dioxyde de carbone refroidi (330a), le dioxyde de carbone refroidi étant fourni à une étape (335) de détente du dioxyde de carbone,
    - le gaz et le dioxyde de carbone détendu (330b), en sortie de l’étape (335) de détente du dioxyde de carbone, le dioxyde de carbone vaporisé étant fourni à la première étape de compression (320) et
    - le dioxyde de carbone détendu et le dioxyde de carbone refroidi (330c),
    - l’étape (335) de détente du dioxyde de carbone refroidi au cours de la première étape d’échange (330) de chaleur, le dioxyde de carbone détendu étant fourni à la première étape d’échange (330) de chaleur,
    - une deuxième étape de compression (305) d’un fluide réfrigérant,
    - une deuxième étape d’échange (310) thermique de refroidissement du fluide réfrigérant comprimé,
    - une deuxième étape (360) d’échange de chaleur entre :
    - le gaz en sortie de la première étape (330) d’échange et le fluide réfrigérant refroidi (360a), le fluide réfrigérant refroidi étant fourni à une étape (315) de détente du fluide réfrigérant,
    - le gaz en sortie de la première étape (330) d’échange et le fluide réfrigérant détendu (360b), en sortie de l’étape de détente du fluide réfrigérant, le fluide réfrigérant vaporisé étant fourni au deuxième compresseur et
    - le fluide réfrigérant détendu et le fluide réfrigérant refroidi (360c),
    - l’étape (315) de détente du fluide réfrigérant refroidi au cours de la deuxième étape d’échange (360) de chaleur, le fluide réfrigérant détendu étant fourni à la deuxième étape d’échange de chaleur.
  9. 9. Procédé (300) selon la revendication 8, dans lequel le fluide réfrigérant en sortie de la deuxième étape d’échange (310) thermique est fourni à la première étape (330) d’échange, le fluide réfrigérant étant refroidi par échange de chaleur avec le dioxyde de carbone au cours de la première étape (330) d’échange de chaleur, le fluide réfrigérant en sortie de la première étape (330) d’échange étant fourni à la deuxième étape (360) d’échange.
  10. 10. Procédé (300) selon l’une des revendications 8 ou 9, qui comporte :
    - une troisième étape de compression (340) d’un composé réfrigérant pur vaporisé,
    - une troisième étape d’échange (345) thermique de refroidissement du composé réfrigérant comprimé,
    - une troisième étape (350) d’échange de chaleur entre :
    - le composé réfrigérant détendu et le composé réfrigérant refroidi pour refroidir le composé réfrigérant (350a), le composé réfrigérant refroidi étant fourni à une étape (355) de détente du composé réfrigérant,
    - le gaz et le composé réfrigérant détendu pour refroidir le gaz (350b), le composé réfrigérant vaporisé étant fourni à la troisième étape de compression et le gaz refroidi étant fourni à la première étape (330) d’échange de chaleur et
    - l’étape (355) de détente du composé réfrigérant refroidi au cours de la troisième étape d’échange, le composé réfrigérant détendu étant fourni à la troisième étape d’échange.
  11. 11. Procédé (300) selon la revendication 10, dans lequel le fluide réfrigérant en sortie de la deuxième étape d’échange (310) thermique est fourni à la troisième étape (350) d’échange, le fluide réfrigérant étant refroidi par échange de chaleur avec le composé réfrigérant (350c) au cours de la troisième étape (350) d’échange de chaleur, le fluide réfrigérant en sortie de la troisième étape (350) d’échange étant fourni à la première étape (330) d’échange.
  12. 12. Procédé (300) selon l’une des revendications 10 ou 11, qui comporte une quatrième étape (365) d’échange de chaleur entre le composé réfrigérant détendu en sortie de l’étape (355) de détente et le dioxyde de carbone refroidi en sortie de l’étape d’échange (325) thermique de refroidissement du dioxyde de carbone.
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