WO2017081374A1 - Méthode pour optimiser la liquéfaction de gaz naturel - Google Patents

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    • F25J2270/902—Details about the refrigeration cycle used, e.g. composition of refrigerant, arrangement of compressors or cascade, make up sources, use of reflux exchangers etc.

Definitions

  • the present invention relates to a process for liquefying a hydrocarbon stream such as natural gas in particular in a process for the production of liquefied natural gas.
  • a hydrocarbon stream such as natural gas
  • refrigerant streams are used to produce cold at different levels of a main heat exchanger by vaporizing against the hydrocarbon stream to be liquefied (typically gas). natural).
  • natural gas can be stored and transported over long distances more easily in liquid form than in gaseous form, because it occupies a smaller volume for a given mass and does not need to be stored at high pressure.
  • LNG liquefied natural gas
  • the mixed refrigerant is compressed by means of a compressor and separated into a gaseous stream and at least one liquid stream, and then the two streams are combined to form a two-phase stream.
  • This two-phase current is introduced into the main heat exchanger where it is totally liquefied and subcooled to the coldest temperature of the process, typically that of the liquefied natural gas stream.
  • the refrigerant is expanded and reintroduced into the main heat exchanger to be vaporized against the liquefied hydrocarbon-rich fraction.
  • liquid refrigerant it is not necessary for the liquid refrigerant to be as much undercooled as the gaseous refrigerant before being expanded and vaporized opposite the hydrocarbon stream to be liquefied. This is what is proposed by the typical method of the state of the art as described in the preceding paragraph.
  • the inventors of the present invention have then developed a solution to solve the problem raised above while optimizing energy expenditure.
  • the proposed solution is to separately present the liquid refrigerant stream and the gaseous refrigerant stream in the main heat exchanger.
  • the liquid is then cooled to an intermediate temperature level while the gas is liquefied and cooled to the coldest outlet of the main heat exchanger.
  • the liquefied gaseous refrigerant is then expanded and reintroduced into the main heat exchanger. It is mixed with the cooled liquid refrigerant and previously also relaxed, once it has reached the correct temperature level.
  • the present invention relates to a process for liquefying a hydrocarbon stream such as natural gas from a feed stream comprising at least the following steps: Step a): passing the feed gas against a mixed refrigerant stream through a heat exchanger to provide an at least partially liquefied hydrocarbon stream having a temperature below - 140 ° C;
  • an object of the present invention relates to:
  • a method as defined above characterized in that it comprises a step prior to step c) of compression of the mixed refrigerant from step b) followed by cooling.
  • T1 is between -30 ° C and -50 ° C.
  • T2 is between -80 ° C and -1 10 ° C.
  • T3 is between -140 ° C and -170 ° C.
  • the method of the present invention makes it possible to optimize the use of liquid and gaseous refrigerant currents in the liquefaction cycle, since the liquid, which contains the heavier components, must not be as much subcooled as the refrigerant. gaseous.
  • the intermediate liquid (above-mentioned as the first liquid refrigerant stream resulting from stage c)) is not pumped in order to be mixed. to the high pressure liquid (hereinafter referred to as the second liquid coolant stream from step e).
  • the process according to the present invention is applicable to various hydrocarbon feed streams, it is particularly suitable for natural gas streams to be liquefied.
  • the liquefied natural gas can be further processed, if desired.
  • the liquefied natural gas obtained can be depressurized by means of a Joule-Thomson valve or by means of a turbine.
  • other intermediate treatment steps between the gas / liquid separation and the cooling can be carried out.
  • the hydrocarbon stream to be liquefied is usually a stream of natural gas obtained from natural gas or oil reservoirs.
  • the natural gas stream can also be obtained from another source, also including a synthetic source such as a Fischer-Tropsch process.
  • the flow of natural gas is essentially composed of methane.
  • the feed stream comprises at least 60 mol% of methane, preferably at least 80 mol% of methane.
  • natural gas may contain quantities of hydrocarbons heavier than methane, such as ethane, propane, butane and pentane, as well as some aromatic hydrocarbons.
  • the natural gas stream may also contain non-hydrocarbon products such as H 2 O, N 2 , CO 2 , H 2 S and other sulfur compounds, and the like.
  • the feed stream containing the natural gas can be pretreated before being introduced into the heat exchanger.
  • This pretreatment may include reducing and / or eliminating undesirable components such as CO2 and H 2 S, or other steps such as pre-cooling and / or pressurizing. Since these measurements are well known to those skilled in the art, they are not further detailed here.
  • natural gas refers to any composition containing hydrocarbons including at least methane.
  • the separator may be any unit, column or arrangement adapted to separate the mixed refrigerant into a vapor refrigerant stream and a liquid refrigerant stream. Such separators are known in the state of the art and are not detailed here.
  • the heat exchanger can be any column, unit or other arrangement adapted to allow the passage of a number of flows, and thus allow a direct or indirect heat exchange between one or more lines of refrigerant, and one or several feed streams.
  • a stream 1 of natural gas possibly pretreated beforehand (having typically undergone a separation of a part of at least one of the following constituents: water, CO2, methanol, sulfur compounds) is introduced into a heat exchanger 2 to be liquefied.
  • the figure therefore shows a liquefaction process of a feed stream 1.
  • the feed stream 1 may be a pretreated natural gas stream, wherein one or more substances, such as sulfur, carbon dioxide, water, are reduced, so as to be compatible with cryogenic temperatures, such as this is known in the state of the art.
  • the feed stream 1 may have undergone one or more pre-cooling steps as known in the state of the art.
  • One or more pre-cooling stage (s) may include one or more refrigeration circuits.
  • a feed stream of natural gas is generally processed from an initial temperature of 30-50 C. Following one or more pre-cooling stages, the temperature of the gas feed stream natural can be reduced to -30 to -70 C.
  • the heat exchanger 2 is preferably a coiled coil cryogenic heat exchanger.
  • Cryogenic heat exchangers are known in the state of the art, and may have various arrangements of their feed stream (s) and refrigerant streams.
  • such heat exchangers may also have one or more lines to allow the passage of other streams, such as refrigerant streams for other stages of a cooling process, for example in processes liquefaction. These other lines or flows are not shown in the figure for simplicity.
  • the feed stream 1 enters the heat exchanger 2 via a feed inlet 3 and passes through the heat exchanger via the line 4, then is extracted from the exchanger at the outlet 5 to provide a flow
  • This liquefied stream 6 is preferably fully liquefied and even subcooled, and may be further processed as discussed below.
  • the temperature may be from about -150 ° C to -160 ° C.
  • the liquefaction of the feed stream 1 is carried out by means of a refrigerant circuit 7.
  • the refrigerant circuit 7 circulates a mixed refrigerant, preferably being selected from the group consisting of nitrogen, methane, ethane ethylene, propane, propylene, butane, pentane, etc.
  • the composition of the mixed refrigerant may vary depending on the conditions and the desired parameters for the heat exchanger 2, as known in the state of the art.
  • a cooling gas stream 8 is introduced into the exchanger 2 at an inlet 9, then it passes through this inlet and liquefies and cools down. along the line 10 through the heat exchanger 2, to the exit 1 1.
  • the temperature T3 of the outlet 1 1 is the lowest of the temperatures of the heat exchanger 2.
  • T3 is typically between -140 ° C and -170 ° C, for example -160 ° C.
  • the gaseous refrigerant stream 8 is liquefied such that the refrigerant flow downstream of the outlet 11 is a liquid stream 12.
  • the refrigerant stream 12 is then expanded, for example using a valve 13, so as to provide a first stream of refrigerant at reduced pressure 14. This stream 14 is then introduced into the heat exchanger 2 through the inlet 15.
  • a liquid stream 16 of the refrigerant is introduced into the heat exchanger 2 via the inlet 17, then passes through the exchanger 2 along the line 18.
  • the liquid coolant stream 16 is discharged from the exchanger to the output 19, at an intermediate level between the top and bottom of said exchanger, having a temperature T2 greater than T3.
  • T2 is between -90 ° C and - 1 10 ° C.
  • the refrigerant stream 20 downstream of the outlet 19 is expanded in an expansion valve 21, for example a valve, to reduce its pressure and form a Second flow of refrigerant reduced pressure 22.
  • the flow 22 then passes, through the inlet 23, again in the heat exchanger 2 and goes to the outlet 24 of the heat exchanger.
  • Another liquid stream 25 of the refrigerant is introduced into the heat exchanger 2 via the inlet 26, then passes through the exchanger 2 along the line 27.
  • the liquid coolant stream 25 is discharged from the heat exchanger. the outlet 28, at an intermediate level between the top and the bottom of said exchanger, having a temperature T1 greater than T2.
  • T1 is between -30 ° C and -50 ° C.
  • the refrigerant stream 29 downstream of the outlet 28 is expanded in a pressure reducer 30, for example a valve, to reduce its pressure and form a third stream of refrigerant at reduced pressure 31.
  • the pressures of the first, second and third reduced pressure refrigerants 14, 22 and 31 are substantially the same; for example, about 3 bara.
  • the refrigerant stream 14 vaporizes, at least partially, to the outlet 34, then downstream of this outlet 34 will join the flow 22 from the expansion of the liquid stream 16 cooled, the two streams are then mixed in the stream 22. In the same manner, this refrigerant stream 22 is mixed with the refrigerant stream 31 downstream of the outlet 24.
  • the stream 31 then passes through the inlet 32 again into the heat exchanger 2 and vaporizes completely to the outlet 33 of the heat exchanger.
  • a gaseous refrigerant stream flows in the refrigeration circuit 7 downstream of the heat exchanger outlet 33 at ambient temperature (i.e., the temperature measured in the space where the device for implementing the refrigerant is placed.
  • the process of the present invention is, for example, between -20 ° C. and 45 ° C.
  • the refrigerant stream is compressed using a compressor 36.
  • the compression process is known in the state of the art and the compressor 36 is for example a compressor with at least two adiabatic sections A and B thus comprising at least two coolers 37 and 38.
  • the coolant stream is cooled by means of a cooler 37 and is then partially condensed and forms a two-phase refrigerant stream 39.
  • the pressure at the outlet of the section A of the compressor 36 is of the order of 18 bara and the temperature of the order of 130 ° C.
  • the temperature at the outlet of the cooler 37 is of the order of 25 ° C.
  • the coolant stream 39 is sent to a phase separator 40 separating said two-phase refrigerant stream into a gas stream 41 and a first liquid stream 25.
  • Said first liquid refrigerant stream 25 consists of the heavier elements of the refrigerant stream of the refrigeration circuit 7 that is, in particular those components having more than four carbon atoms.
  • the liquid coolant stream 25 then follows the path described above from the inlet 26 of the heat exchanger 2.
  • the gaseous refrigerant stream 41 is compressed in the section B of the compressor. Typically, the pressure at the outlet of this section B is of the order of 50 bara. After this compression, the cooling stream is partially condensed using the cooler 38 and forms a two-phase refrigerant stream 42. Typically the temperature is at room temperature.
  • the coolant stream 42 is sent to a phase separator 43 separating said coolant stream into a gas stream 8 and a second liquid stream 16.
  • Said second liquid coolant stream 16 consists of elements that are lighter than those contained in the liquid 25 but heavier. than those contained in the gas stream 8. This liquid refrigerant stream 16 then follows the path described above from the inlet 17 of the heat exchanger 2.
  • the gaseous refrigerant stream 8 then follows the path described above from of the inlet 9 of the heat exchanger 2.
  • This gaseous refrigerant stream 8 contains the lightest elements of the refrigerant stream of the refrigeration circuit 7, that is to say, typically nitrogen and methane.
  • temperature substantially equal to another temperature means temperature equal to plus or minus 5 ° C.
  • the liquefied natural gas 6 at the end of the process that is the subject of the present invention can then, for example, be transferred to a storage or transport device.
  • liquid refrigerant currents are not subcooled more than what is necessary (typically characterized by the correspondence between the temperature the draw off of the exchanger at points 20 and 28) and the composition of the vaporized coolant stream (having the lighter components) at the coldest outlet of the main heat exchanger is improved.

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Abstract

Procédé de liquéfaction d'un courant d'hydrocarbures à partir d'un courant d'alimentation comprenant au moins les étapes suivantes: Etape a): passage du gaz d'alimentation contre un courant réfrigérant mixte à travers un échangeur de chaleur pour fournir un flux d'hydrocarbures au moins partiellement liquéfié ayant une température inférieure à -140°C; Etape b): extraction d'un courant réfrigérant mixte de l'échangeur de chaleur à partir d'une sortie où la température dans l'échangeur de chaleur est la plus élevée; Etape c): introduction du réfrigérant mixte issu de l'étape b) dans un moyen séparateur de phases afin de produire un courant réfrigérant gazeux et un premier courant réfrigérant liquide; Etape d): passage du premier courant réfrigérant liquide issu de l'étape c) dans l'échangeur de chaleur à partir d'une première entrée et jusqu'à une sortie dite intermédiaire au-delà de laquelle le courant réfrigérant ainsi obtenu est détendu, la température T1 à ladite sortie étant telle que ladite détente produit une fraction gaz inférieure à 20%; Etape e): passage du courant réfrigérant gazeux issu de l'étape c) dans l'échangeur de chaleur à partir d'une entrée et jusqu'à une sortie à une température T3 dont le niveau est le plus bas des niveaux de température dudit échangeur de chaleur.

Description

Méthode pour optimiser la liquéfaction de gaz naturel
La présente invention concerne un procédé de liquéfaction d'un courant d'hydrocarbures tel que le gaz naturel en particulier dans un procédé pour la production de gaz naturel liquéfié. Sur des usines de liquéfaction de gaz naturel typiques utilisant un cycle de réfrigérant mixte, des courants réfrigérants sont utilisés pour produire le froid à différents niveaux d'un échangeur de chaleur principal en se vaporisant contre le courant d'hydrocarbures à liquéfier (typiquement le gaz naturel).
Il est souhaitable de liquéfier le gaz naturel pour un certain nombre de raisons. A titre d'exemple, le gaz naturel peut être stocké et transporté sur de longues distances plus facilement à l'état liquide que sous forme gazeuse, car il occupe un volume plus petit pour une masse donnée et n'a pas besoin d'être stocké à une pression élevée.
Plusieurs méthodes de liquéfaction d'un courant de gaz naturel pour obtenir du gaz naturel liquéfié (GNL) sont connues. Typiquement le réfrigérant mixte est comprimé au moyen d'un compresseur et séparé en un courant gazeux et au moins un courant liquide, puis les deux courants sont combinés pour former un courant diphasique. Ce courant diphasique est introduit dans l'échangeur de chaleur principal où il est totalement liquéfié et sous-refroidi jusqu'à la température la plus froide du procédé, typiquement celle du courant de gaz naturel liquéfié. A la sortie la plus froide de l'échangeur de chaleur principal, le réfrigérant est détendu et réintroduit dans l'échangeur principal afin d'être vaporisé contre la fraction riche en hydrocarbures qui se liquéfie.
Cette solution n'est pas optimisée à cause de la composition diphasique du courant réfrigérant une fois que les deux phases sont recombinées et introduites dans cet état dans l'échangeur. En effet le courant réfrigérant liquide contient les composés les plus lourds. Ces derniers vont donc se vaporiser à une température plus élevée que des composés plus légers tels que l'azote ou le méthane par exemple. Il est donc utilisé pour produire le froid à une température intermédiaire (typiquement de l'ordre de -30°C- -50°C, pour le pré-refroidissant et la liquéfaction partielle du mélange d'hydrocarbures à liquéfier). Alors que le courant réfrigérant gazeux contient les composés les plus légers. Il est utilisé pour produire le froid à une température plus froide (typiquement inférieure à -100°C), pour la liquéfaction et le sous-refroidissement total du mélange d'hydrocarbures à liquéfier.
Donc, il n'est pas nécessaire que le réfrigérant liquide soit autant sous- refroidi que le réfrigérant gazeux avant d'être détendu et vaporisé en face du courant d'hydrocarbures à liquéfier. Or c'est ce que propose le procédé typique de l'état de la technique tel que décrit dans le paragraphe précédent.
Par ailleurs, dans la demande de brevet US2009/0260392 A1 , est décrite la liquéfaction d'une fraction riche en hydrocarbures contre un réfrigérant mixte, ce courant réfrigérant étant séparé dans un séparateur de phases en une phase gazeuse et une phase liquide à la suite d'une étape de compression et de refroidissement dudit réfrigérant mixte. Ensuite, les deux phases du réfrigérant sont refroidies séparément puis recombinées seulement après que les deux phases aient été détendues. Une fois recombinées ces deux phases sont de nouveau introduites dans l'échangeur sous forme d'un courant diphasique et réchauffées contre le gaz naturel qui se liquéfie. Ce « réchauffage » arrive, tant pour la phase liquide du réfrigérant que pour la phase gazeuse, une fois que ces courants du réfrigérant sont détendus.
Les inventeurs de la présente invention ont alors mis au point une solution permettant de résoudre le problème soulevé ci-dessus tout en optimisant les dépenses énergétiques.
La solution proposée est de séparément présenter le courant réfrigérant liquide et le courant réfrigérant gazeux dans l'échangeur de chaleur principal. Le liquide est alors refroidi à un niveau intermédiaire de température, tandis que le gaz est liquéfié et refroidi jusqu'à la sortie la plus froide de l'échangeur thermique principal. Le réfrigérant gazeux liquéfié est alors détendu et réintroduit dans l'échangeur thermique principal. Il est mélangé avec le réfrigérant liquide refroidi et au préalable également détendu, une fois qu'il a atteint le niveau correct de température.
La présente invention a pour objet un procédé de liquéfaction d'un courant d'hydrocarbures tel que le gaz naturel à partir d'un courant d'alimentation comprenant au moins les étapes suivantes : Etape a) : passage du gaz d'alimentation contre un courant réfrigérant mixte à travers un échangeur de chaleur pour fournir un flux d'hydrocarbures au moins partiellement liquéfié ayant une température inférieure à - 140°C ;
Etape b) : extraction d'un courant réfrigérant mixte de l'échangeur de chaleur à partir d'une sortie où la température dans l'échangeur de chaleur est la plus élevée;
Etape c) : introduction du réfrigérant mixte issu de l'étape b) dans un moyen séparateur de phases afin de produire un courant réfrigérant gazeux et un premier courant réfrigérant liquide;
Etape d) : passage du premier courant réfrigérant liquide issu de l'étape c) dans l'échangeur de chaleur à partir d'une première entrée et jusqu'à une sortie dite intermédiaire au-delà de laquelle le courant réfrigérant ainsi obtenu est détendu, la température T1 à ladite sortie étant telle que ladite détente produit une fraction gaz inférieure à 20%, préférentiellement inférieure à 10%;
Etape e) : parallèlement à l'étape d), compression du courant réfrigérant gazeux issu de l'étape c) puis refroidissement avant introduction du courant réfrigérant ainsi obtenu dans un moyen séparateur de phases afin de produire un courant réfrigérant gazeux et un deuxième courant réfrigérant liquide;
Etape f) : passage du deuxième courant réfrigérant liquide issu de l'étape e) dans l'échangeur de chaleur à partir d'une deuxième entrée et jusqu'à une sortie au-delà de laquelle le courant réfrigérant ainsi obtenu est détendu, la température T2 à ladite sortie étant supérieure à T1 et telle que ladite détente produit une fraction gaz inférieure à 20%, préférentiellement inférieure à 10%;
Etape g) : passage du courant réfrigérant gazeux issu de l'étape e) dans l'échangeur de chaleur à partir d'une troisième entrée et jusqu'à une sortie à une température T3 dont le niveau est le plus bas des niveaux de température dudit échangeur de chaleur afin de produire un courant liquéfié, puis détente du courant ainsi obtenu ;
Etape h) : passage du courant issu de l'étape g) dans l'échangeur de chaleur depuis une entrée à la température T3 jusqu'à une sortie à une température sensiblement égale à la température T2;
Etape i) : mélange du courant réfrigérant issu de l'étape h) avec le courant réfrigérant issu de l'étape f), puis passage du mélange ainsi obtenu dans l'échangeur de chaleur depuis une entrée ayant une température sensiblement égale à T2 jusqu'à une sortie ayant une température sensiblement égale à T1 ;
Etape j) : mélange du courant réfrigérant issu de l'étape i) avec le courant réfrigérant issu de l'étape d) puis passage du mélange ainsi obtenu dans l'échangeur de chaleur jusqu'à la sortie.
Plus particulièrement, un objet de la présente invention concerne :
Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le courant réfrigérant mixte circule dans circuit de réfrigération en cycle fermé.
Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce qu'il comprend une étape préalable à l'étape c) de compression du réfrigérant mixte issu de l'étape b) suivie d'un refroidissement.
Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que T1 est comprise entre -30°C et -50°C.
Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que T2 est comprise entre -80°C et -1 10°C.
Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que T3 est comprise entre -140°C et -170°C.
Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le courant réfrigérant mixte contient des constituants parmi l'azote, du méthane, de l'éthylène, de l'éthane, du butane et du pentane.
Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le courant réfrigérant gazeux issu de l'étape e) contient de l'azote et du méthane.
Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce qu'aucune pompe n'est mise en œuvre.
Le procédé objet de la présente invention permet d'optimiser l'utilisation des courants réfrigérants liquides et gazeux dans le cycle de liquéfaction étant donné que le liquide, qui contient les composants les plus lourds, ne doit pas être autant sous-refroidi que le réfrigérant gazeux.
Par ailleurs, aucune pompe n'est mise en œuvre dans le procédé objet de l'invention car le liquide intermédiaire (ci-dessus appelé premier courant réfrigérant liquide issu de l'étape c)) n'est pas pompé afin d'être mélangé au liquide à haute pression (ci-dessus appelé deuxième courant réfrigérant liquide issu de l'étape e). Cela est notamment avantageux en termes de dépenses d'investissement. Bien que le procédé selon la présente invention soit applicable à divers courants d'alimentation d'hydrocarbures, il est particulièrement adapté pour des courants de gaz naturel à liquéfier. En outre, l'homme de l'art comprendra aisément que, après liquéfaction, le gaz naturel liquéfié peut être davantage traité, si désiré. A titre d'exemple, le gaz naturel liquéfié obtenu peut être dépressurisé au moyen d'une vanne de Joule-Thomson ou par l'intermédiaire d'une turbine. En outre, d'autres étapes de traitement intermédiaires entre la séparation gaz / liquide et le refroidissement peuvent être réalisées. Le courant d'hydrocarbures à liquéfier est généralement un flux de gaz naturel obtenu à partir de gaz naturel ou des réservoirs de pétrole. Comme alternative, le flux de gaz naturel peut également être obtenu d'une autre source, comprenant également une source synthétique tel qu'un procédé de Fischer-Tropsch. Habituellement, le flux de gaz naturel est composé essentiellement de méthane. De préférence, le courant d'alimentation comprend au moins 60% mol de méthane, de préférence au moins 80% mol de méthane. En fonction de la source, le gaz naturel peut contenir des quantités d'hydrocarbures plus lourds que le méthane, tels que l'éthane, le propane, le butane et le pentane ainsi que certains hydrocarbures aromatiques. Le flux de gaz naturel peut également contenir des produits non-hydrocarbures tels que H2O, N2, CO2, H2S et d'autres composés soufrés, et autres.
Le flux d'alimentation contenant le gaz naturel peut être prétraité avant d'être l'introduit dans l'échangeur de chaleur. Ce prétraitement peut comprendre la réduction et/ou l'élimination des composants indésirables tels que le CO2 et le H2S, ou d'autres étapes telles que le pré-refroidissement et/ou la mise sous pression. Etant donné que ces mesures sont bien connues de l'homme de l'art, elles ne sont pas davantage détaillées ici.
L'expression "gaz naturel" telle qu'utilisée dans la présente demande se rapporte à toute composition contenant des hydrocarbures dont au moins du méthane. Cela comprend une composition « brute » (préalablement à tout traitement tel que nettoyage ou lavage), ainsi que toute composition ayant été partiellement, substantiellement ou entièrement traitée pour la réduction et / ou élimination d'un ou plusieurs composés, y compris, mais sans s'y limiter, le soufre, le dioxyde de carbone, l'eau, et les hydrocarbures ayant deux atomes de carbone ou plus. Le séparateur peut être toute unité, colonne ou arrangement adapté pour séparer le réfrigérant mixte en un courant de réfrigérant vapeur et un flux de réfrigérant liquide. De tels séparateurs sont connus dans l'état de la technique et ne sont pas détaillés ici.
L'échangeur de chaleur peut être toute colonne, une unité ou autre agencement adapté pour permettre le passage d'un certain nombre de flux, et ainsi permettre un échange de chaleur direct ou indirect entre une ou plusieurs lignes de fluide réfrigérant, et un ou plusieurs flux d'alimentation.
L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant à la figure qui illustre le schéma d'un mode de réalisation particulier d'une mise en œuvre d'un procédé selon l'invention.
Sur la figure, un flux 1 de gaz naturel éventuellement préalablement prétraité (ayant typiquement subi une séparation d'une partie d'au moins un des constituants suivants : de l'eau, du CO2, du méthanol, des composés soufrés) est introduit dans un échangeur de chaleur 2 afin d'être liquéfié.
La figure montre donc un procédé de liquéfaction d'un flux d'alimentation 1 . Le courant d'alimentation 1 peut être un courant de gaz naturel prétraité, dans lequel une ou plusieurs substances, telles que du soufre, dioxyde de carbone, de l'eau, sont réduites, de manière à être compatible avec des températures cryogéniques, comme cela est connu dans l'état de la technique.
Facultativement, le courant d'alimentation 1 peut avoir subi une ou plusieurs étapes de pré-refroidissement comme cela est connu dans l'état de la technique. Une ou plusieurs de(s)étape (s) de pré-refroidissement peuvent comporter un ou plusieurs circuits de réfrigération. A titre d'exemple, un courant d'alimentation de gaz naturel est généralement traité à partir d'une température initiale de 30-50 C. Suite à une ou plusieurs étapes de pré-refroidissement, la température du flux d'alimentation de gaz naturel peut être réduite à -30 à -70 C.
Sur la figure, l'échangeur de chaleur 2 est de préférence un échangeur de chaleur cryogénique à bobine enroulée. Les échangeurs de chaleur cryogéniques sont connus dans l'état de la technique, et peuvent avoir divers arrangements de leur(s) flux d'alimentation et des courants de réfrigérant. En outre, de tels échangeurs de chaleur peuvent également avoir une ou plusieurs lignes pour permettre le passage d'autres flux, tels que des courants de réfrigérant pour d'autres étapes d'un procédé de refroidissement, par exemple dans des procédés de liquéfaction. Ces autres lignes ou flux ne sont pas représentés sur la figure pour plus de simplicité.
Le courant d'alimentation 1 entre dans l'échangeur de chaleur 2 via une entrée d'alimentation 3 et passe à travers l'échangeur de chaleur via la ligne 4, puis est extrait de l'échangeur à la sortie 5 pour fournir un flux d'hydrocarbures au moins partiellement liquéfié 6. Ce courant liquéfié 6 est de préférence entièrement liquéfié et même sous-refroidi, et peut être en outre traité comme discuté ci-après. Lorsque le courant liquéfié 6 est du gaz naturel liquéfié, la température peut être d'environ -150 C à -160°C. La liquéfaction du courant d'alimentation 1 est effectuée grâce à un circuit de fluide réfrigérant 7. Dans le circuit de réfrigérant 7 circule un réfrigérant mixte, de préférence étant choisi dans le groupe comprenant l'azote, le méthane, l'éthane, l'éthylène, le propane, le propylène, le butane, le pentane, etc. La composition du réfrigérant mixte peut varier selon les conditions et les paramètres souhaités pour l'échangeur de chaleur 2, comme cela est connu dans l'état de la technique.
Dans l'agencement du fonctionnement de l'échangeur de chaleur 2 représenté sur la figure, un courant réfrigérant gazeux 8 est introduit dans l'échangeur 2 à une entrée 9, puis il passe à travers cette entrée et se liquéfie et se sous-refroidit le long de la ligne 10 à travers l'échangeur de chaleur 2, jusqu'à la sortie 1 1 . La température T3 de la sortie 1 1 est la plus basse des températures de l'échangeur de chaleur 2. T3 est typiquement comprise entre -140°C et -170°C, par exemple -160°C. Dans son passage à travers la ligne 10, le courant de réfrigérant gazeux 8 est liquéfié tel que le flux de réfrigérant en aval de la sortie 1 1 est un courant liquide 12. Le courant réfrigérant 12 est alors détendu par exemple à l'aide d'une vanne 13, de manière à fournir un premier courant de réfrigérant à pression réduite 14. Ce flux 14 est ensuite introduit dans l'échangeur de chaleur 2 par l'entrée 15.
Un courant liquide 16 du réfrigérant est introduit dans l'échangeur de chaleur 2 via l'entrée 17, puis passe à travers l'échangeur 2 le long de la ligne 18. Le courant liquide de réfrigérant 16 est évacué de l'échangeur à la sortie 19, à un niveau intermédiaire entre le haut et le bas dudit échangeur, ayant une température T2 supérieure à T3. Par exemple T2 est comprise entre -90°C et - 1 10°C. Le courant de réfrigérant 20 en aval de la sortie 19 est détendu dans un détendeur 21 , par exemple une vanne, pour réduire sa pression et former un second flux de réfrigérant à pression réduite 22. Le flux 22 passe ensuite, par l'entrée 23, de nouveau dans l'échangeur de chaleur 2 et va jusqu'à la sortie 24 de l'échangeur de chaleur.
Un autre courant liquide 25 du réfrigérant est introduit dans l'échangeur de chaleur 2 via l'entrée 26, puis passe à travers l'échangeur 2 le long de la ligne 27. Le courant liquide de réfrigérant 25 est évacué de l'échangeur à la sortie 28, à un niveau intermédiaire entre le haut et le bas dudit échangeur, ayant une température T1 supérieure à T2. Par exemple T1 est comprise entre -30°C et - 50°C. Le courant de réfrigérant 29 en aval de la sortie 28 est détendu dans un détendeur 30, par exemple une vanne, pour réduire sa pression et former un troisième flux de réfrigérant à pression réduite 31 . De préférence, les pressions du premier, du deuxième et du troisième réfrigérant à pression réduite 14, 22 et 31 sont sensiblement les mêmes; par exemple environ 3 bara.
Une fois entré dans l'échangeur de chaleur 2, le courant 14 de réfrigérant se vaporise, au moins partiellement, jusqu'à la sortie 34, puis en aval de cette sortie 34 va rejoindre le flux 22 issu de la détente du courant liquide 16 refroidi du réfrigérant, les deux courants sont alors mélangés dans le courant 22. De la même manière, ce courant réfrigérant 22 est mélangé avec le courant réfrigérant 31 en aval de la sortie 24.
Le flux 31 passe ensuite, par l'entrée 32, de nouveau dans l'échangeur de chaleur 2 et se vaporise totalement jusqu'à la sortie 33 de l'échangeur de chaleur. Un courant réfrigérant 35 gazeux circule dans le circuit 7 de réfrigération en aval de la sortie 33 de l'échangeur de chaleur à température ambiante (c'est à dire la température mesurée dans l'espace où est placé le dispositif de mise en œuvre du procédé objet de la présente invention. Cette température est par exemple comprise entre -20°C et 45°C). Le courant réfrigérant est comprimé à l'aide d'un compresseur 36. Le procédé de compression est connu de l'état de la technique et le compresseur 36 est par exemple un compresseur à au moins deux sections adiabatiques A et B comprenant donc au moins deux refroidisseurs 37 et 38. Une fois comprimé dans la première section A du compresseur 36, le courant 35 réfrigérant est refroidi à l'aide d'un refroidisseur 37 et est alors partiellement condensé et forme un courant réfrigérant diphasique 39. Par exemple la pression à la sortie de la section A du compresseur 36 est de l'ordre de 18 bara et la température de l'ordre de 130°C. Typiquement la température en sortie du refroidisseur 37 est de l'ordre de 25°C.
Le courant réfrigérant 39 est envoyé vers un séparateur de phases 40 séparant ledit courant réfrigérant diphasique en un courant gazeux 41 et un premier courant liquide 25. Ledit premier courant réfrigérant liquide 25 est constitué des éléments les plus lourds du courant réfrigérant du circuit de réfrigération 7, c'est-à-dire en particulier les composants ayant plus de quatre atomes de carbone. Le courant réfrigérant liquide 25 suit ensuite le chemin décrit plus haut à partir de l'entrée 26 de l'échangeur de chaleur 2.
Le courant réfrigérant gazeux 41 est comprimé dans la section B du compresseur. Typiquement, la pression en sortie de cette section B est de l'ordre de 50 bara. Après cette compression, le courant réfrigérant est partiellement condensé à l'aide du refroidisseur 38 et forme un courant réfrigérant diphasique 42. Typiquement la température est au niveau de la température ambiante. Le courant réfrigérant 42 est envoyé vers un séparateur de phases 43 séparant ledit courant réfrigérant en un courant gazeux 8 et un deuxième courant liquide 16. Ledit deuxième courant réfrigérant liquide 16 est constitué des éléments moins lourds que ceux contenus dans le liquide 25 mais plus lourds que ceux contenus dans le courant gazeux 8. Ce courant réfrigérant liquide 16 suit ensuite le chemin décrit plus haut à partir de l'entrée 17 de l'échangeur de chaleur 2. Le courant réfrigérant gazeux 8 suit ensuite le chemin décrit plus haut à partir de l'entrée 9 de l'échangeur de chaleur 2. Ce courant réfrigérant gazeux 8 contient les éléments les plus légers du courant réfrigérant du circuit de réfrigération 7, c'est-à-dire, typiquement l'azote et le méthane.
Par température sensiblement égale à une autre température, on entend température égale à plus ou moins 5°C.
Le gaz naturel liquéfié 6 à l'issu du procédé objet de la présente invention peut ensuite, par exemple, être transféré à un dispositif de stockage ou de transport.
Le procédé objet de la présente invention procure notamment les avantages suivants :
Une optimisation énergétique du cycle de réfrigération. En effet, les courants réfrigérants liquides ne sont pas sous-refroidis plus que ce qui est nécessaire (typiquement caractérisé par la correspondance entre la température de soutirage de l'échangeur aux points 20 et 28) et la composition du courant réfrigérant vaporisé (ayant les composants les plus légers) à la sortie la plus froide de l'échangeur de chaleur principal est améliorée.
Une optimisation des dépenses d'investissement en réduisant en particulier la taille de l'échangeur réalisant la liquéfaction de la fraction riche en hydrocarbures car aucune pompe n'est mise en œuvre dans le circuit de réfrigération.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de liquéfaction d'un courant d'hydrocarbures tel que le gaz naturel à partir d'un courant d'alimentation (1 ) comprenant au moins les étapes suivantes :
Etape a) : passage du gaz d'alimentation (1 ) contre un courant réfrigérant mixte à travers un échangeur de chaleur (2) pour fournir un flux d'hydrocarbures au moins partiellement liquéfié ayant une température inférieure à -140°C ;
Etape b) : extraction d'un courant réfrigérant mixte (35) de l'échangeur de chaleur (2) à partir d'une sortie (33) où la température dans l'échangeur de chaleur est la plus élevée;
Etape c) : introduction du réfrigérant mixte (35) issu de l'étape b) dans un moyen (40) séparateur de phases afin de produire un courant réfrigérant gazeux (41 ) et un premier courant réfrigérant liquide (25);
Etape d) : passage du premier courant réfrigérant liquide (25) issu de l'étape c) dans l'échangeur de chaleur (2) à partir d'une première entrée (26) et jusqu'à une sortie (28) dite intermédiaire au-delà de laquelle le courant réfrigérant ainsi obtenu est détendu, la température T1 à ladite sortie (28) étant telle que ladite détente produit une fraction gaz inférieure à 20%, préférentiellement inférieure à 10%;
Etape e) : parallèlement à l'étape d), compression du courant réfrigérant gazeux (41 ) issu de l'étape c) puis refroidissement avant introduction du courant réfrigérant (42) ainsi obtenu dans un moyen (43) séparateur de phases afin de produire un courant réfrigérant gazeux (8) et un deuxième courant réfrigérant liquide (16);
Etape f ) : passage du deuxième courant réfrigérant liquide (16) issu de l'étape e) dans l'échangeur de chaleur (2) à partir d'une deuxième entrée (17) et jusqu'à une sortie (19) au-delà de laquelle le courant réfrigérant ainsi obtenu est détendu, la température T2 à ladite sortie (19) étant supérieure à T1 et telle que ladite détente produit une fraction gaz inférieure à 20%, préférentiellement inférieure à 10%; Etape g) : passage du courant réfrigérant gazeux (8) issu de l'étape e) dans l'échangeur de chaleur (2) à partir d'une troisième entrée (9) et jusqu'à une sortie (1 1 ) à une température T3 dont le niveau est le plus bas des niveaux de température dudit échangeur de chaleur (2) afin de produire un courant liquéfié (12), puis détente du courant ainsi obtenu ;
Etape h) : passage du courant (14) issu de l'étape g) dans l'échangeur de chaleur (2) depuis une entrée (15) à la température T3 jusqu'à une sortie (34) à une température sensiblement égale à la température T2;
Etape i) : mélange du courant réfrigérant issu de l'étape h) avec le courant réfrigérant issu de l'étape f), puis passage du mélange (22) ainsi obtenu dans l'échangeur de chaleur (2) depuis une entrée (23) ayant une température sensiblement égale à T2 jusqu'à une sortie (24) ayant une température sensiblement égale à T1 ;
Etape j) : mélange du courant réfrigérant issu de l'étape i) avec le courant réfrigérant issu de l'étape d) puis passage du mélange (31 ) ainsi obtenu dans l'échangeur de chaleur (2) jusqu'à la sortie (33).
2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le courant réfrigérant mixte circule dans circuit de réfrigération (7) en cycle fermé.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape préalable à l'étape c) de compression du réfrigérant mixte issu de l'étape b) suivie d'un refroidissement.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que T1 est comprise entre -30°C et -50°C.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que T2 est comprise entre -80°C et -1 10°C.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que T3 est comprise entre -140°C et -170°C.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant (35) réfrigérant mixte contient des constituants parmi l'azote, du méthane, de l'éthylène, de l'éthane, du butane et du pentane.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'aucune pompe n'est mise en œuvre.
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