WO2017134353A1 - Introduction optimisée d'un courant réfrigérant mixte diphasique dans un procédé de liquéfaction de gaz naturel - Google Patents

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WO2017134353A1
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heat exchanger
stream
temperature
refrigerant
mixed refrigerant
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PCT/FR2016/052055
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Nicolas CHAMBRON
Jean-Marc Peyron
Eduard ROSA
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L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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    • F25J1/0262—Details of the cold heat exchange system

Definitions

  • the present invention relates to a process for the liquefaction of 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).
  • the mixed refrigerant is typically a mixture containing hydrocarbons.
  • 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 then it is introduced into the main heat exchanger (coil heat exchanger or brazed aluminum plate heat exchanger) where it is totally liquefied and subcooled to the highest temperature. cold process, typically that of the liquefied natural gas stream.
  • the refrigerant is expanded to form a liquid phase and a vapor phase, all of the two phases are remixed and reintroduced into the main exchanger to vaporize against the fraction. rich in hydrocarbons that liquefies.
  • the liquid coolant contains the heavier compounds.
  • the latter will therefore vaporize at a higher temperature than lighter compounds such as nitrogen or methane, for example. It is therefore used to produce cold at an intermediate temperature (typically of the order of -30 ° C to -50 ° C, for pre-cooling and partial liquefaction of the hydrocarbon mixture to be liquefied).
  • the gaseous refrigerant contains the lightest compounds. It is used to produce cold at a colder temperature (typically below -100 ° C), for liquefaction and total subcooling of the hydrocarbon mixture to be liquefied.
  • 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 two phases of the refrigerant are cooled separately and then recombined only after the two phases have been relaxed. Once recombined, these two phases are again introduced into the exchanger in the form of a two-phase stream and warmed against the natural gas that liquefies. This "reheating" happens, both for the liquid phase of the refrigerant and for the gas phase, once these refrigerant currents are relaxed.
  • the cooling is carried out in a descending manner in the heat exchanger while the vaporization (and thus the introduction of the two-phase refrigerant stream) is carried out in an ascending way.
  • the introduction of the two-phase refrigerant stream at an intermediate temperature level is less critical because the amount of steam increases rapidly throughout the main heat exchanger.
  • the inventors of the present invention have then developed a solution to solve the problem raised above while optimizing energy expenditure.
  • the subject of the present invention is a process for liquefying a hydrocarbon stream such as natural gas from a feed stream using a heat exchanger, for example a vertically disposed brazed aluminum plate heat exchanger. comprising an upper portion where the temperature is highest and a lower cold portion where the temperature is the lowest, physically distinct from the upper portion, said method comprising at least the following steps:
  • Step d) introduction of the coolant stream from step c) into the heat exchanger from at least one inlet of the lower part, so that the direction of flow of said mixed refrigerant in the heat exchanger is ascending to produce a liquefied stream at the exchanger outlet;
  • Step f) introducing the two-phase refrigerant stream from step e) into the heat exchanger from at least one inlet of the lower part, so that the flow direction of said mixed refrigerant in the heat exchanger is descendant;
  • volume ratio of the two-phase refrigerant stream introduced in step f) is between 5% and 50%
  • the present invention relates to:
  • T3 is between -170 ° C and -140 ° C.
  • T2 is between -120 ° C and -40 ° C.
  • the invention also relates to a liquefaction unit of a hydrocarbon stream such as natural gas comprising at least one heat exchanger installed in a vertical position, said exchanger comprising an upper part and a lower part distinct from the part upper portion having a high temperature region, the lower portion having a low temperature region, characterized in that heat exchanger has in its lower part at least one passage for the flow of a two-phase mixed refrigerant fluid in a downward direction.
  • the invention also relates to a unit as described above wherein said heat exchanger is a brazed aluminum plate heat exchanger.
  • 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.
  • natural gas streams to be liquefied.
  • those skilled in the art will readily understand that, after liquefaction, 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 ,
  • the feed stream containing the natural gas can be pretreated before being introduced into the heat exchanger.
  • This pretreatment may include the reduction and / or elimination of undesirable components such as CO2 and
  • Natural gas refers to any composition containing hydrocarbons including at least methane. This includes a "raw" composition (prior to any treatment such as cleaning or washing), as well as any composition that has been partially, substantially, or wholly processed for the reduction and / or elimination of one or more compounds, including but not limited to limited to sulfur, carbon dioxide, water, and hydrocarbons having two or more carbon atoms.
  • 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 targeted by the invention is preferably a plate heat exchanger but may be any column, unit or other arrangement adapted to allow the passage of a certain number of flows, and thus allow a direct heat exchange or indirectly between one or more lines of refrigerant, and one or more feed streams.
  • the proposed solution consists in separating the main heat exchanger into at least two sections, one being the coldest end of the main heat exchanger and reversing this cold section so that the introduction of the current Two-phase refrigerant is produced downwardly in this cold part of the heat exchanger.
  • 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 cryogenic heat exchanger with brazed aluminum plates.
  • the heat exchanger is vertically disposed and comprises two parts 2 and 2 '.
  • the upper part 2 is the part in which the temperature is the highest (for example between -130 ° C. and 40 ° C.) and the lower part 2 'is the part in which the temperature is the lowest (for example included between -160 ° C and -130 ° C).
  • the lower part 2 ' is physically distinct from the upper part 2 and is inverted with respect to the latter, that is to say that the hottest point of the lower part 2' is situated at the bottom while the coldest point of this lower part 2 'is located at the top, unlike the upper part 2.
  • Cryogenic heat exchangers are known in the state of the art, and may have various arrangements of their feed stream (s) and refrigerant currents.
  • 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 liquefaction processes. 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.
  • 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 refrigerant gas stream 8 is introduced into the exchanger 2 at an inlet 9 at the temperature T1 (for example between 0 ° C. and 40 ° C. ), then it passes through this inlet and liquefies and sub-cools along the line 10 through the heat exchanger 2, to the outlet 1 1.
  • the temperature T2 of the outlet 1 1 is lower than the temperature of the inlet 9 of the heat exchanger 2.
  • T2 is typically between -80 ° C and -120 ° C, for example -1 10 ° C.
  • the refrigerant gas stream 8 is liquefied.
  • the mixed refrigerant stream 12 is then introduced into the second section 2 'of the heat exchanger which is the lower part by an inlet whose temperature is substantially equal to T2 and is the highest temperature of this lower part 2'.
  • the direction of the current 12 flowing in this section 2 'of the heat exchanger is upward.
  • the coolant stream 12 sub-cools along a line 14 through the section 2 'of the heat exchanger, to an outlet 15.
  • the temperature T3 of the outlet 15 is the lowest of the temperatures of the heat exchanger (2, 2 '). T3 is typically between -140 ° C and -170 ° C, for example -160 ° C.
  • the coolant stream 12 is liquefied such that the refrigerant flow downstream of the outlet 15 is a liquid stream 16
  • the cooling stream 16 is then expanded, for example by means of a valve 17, so as to provide a stream of refrigerant at reduced pressure 18.
  • This refrigerant stream 18 is two-phase and has a liquid / gas volume ratio of between 5% and 50%.
  • This stream 18 is then introduced into the lower part of the heat exchanger 2 'through the inlet 19 (at the cold end of the exchanger 2').
  • the temperature of the inlet 19 is substantially equal to T3.
  • the introduction of the stream 18 into the heat exchanger via the inlet 19 is then such that the passage of this cooling stream 18 through a line 20 in the heat exchanger 2 'is downward under the effect gravity to an outlet 21 at the bottom of the lower part 2 'of the heat exchanger.
  • the temperature of this output 21 is substantially equal to T2.
  • the exchanger 2 ' is arranged to deliver a stream 22 with a liquid / gas volume ratio (less than 15%) which allows easy upward entrainment of the liquid by the gas once introduced into the exchanger 2 at point 23.
  • the coolant stream 22 recovered at the outlet 21 of the lower part 2 'of the heat exchanger is then introduced via an inlet 23 in the lowest part of the upper part of the heat exchanger 2 at a substantially equal temperature. at the temperature of the outlet 1 1.
  • the cooling stream is then heated through the heat exchanger 2 to the outlet 24 at the temperature T1.
  • a gaseous refrigerant stream flows in the refrigeration circuit 7 downstream of the outlet 24 of the heat exchanger 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.
  • the compression process is known from the state of the art and the compressor is for example a compressor with at least two adiabatic sections thus comprising at least two coolers. Once compressed in the first section of the compressor, the cooling stream is cooled with a cooler and is then partially condensed.
  • the coolant stream is sent to a phase separator separating said coolant stream into a first coolant gas stream consisting of the heavier elements of the cooling stream of the refrigeration circuit 7, ie in particular the components having more than four carbon atoms.
  • the other part of the refrigerant stream consists of the lighter elements (i.e., typically nitrogen and methane) and then follows the path described above from the inlet 9 of the exchanger of heat 2.
  • lighter elements i.e., typically nitrogen and methane
  • a liquid coolant stream is introduced into the upper part of the heat exchanger 2 via a temperature input T1 and then passes through the exchanger 2 the front to be evacuated from the exchanger to an outlet whose temperature level is intermediate between the top and the bottom of said upper part 2 of the exchanger, having a temperature T greater than T2.
  • T is between -90 ° C and -1 10 ° C.
  • the refrigerant stream downstream of this outlet is expanded in a pressure reducer, for example a valve, to reduce its pressure and form a second refrigerant stream (F) at reduced pressure.
  • F refrigerant stream
  • another liquid stream of the refrigerant is introduced into the upper part of the heat exchanger 2 via an inlet at T1, then passes through the exchanger 2 before being evacuated from the exchanger at an intermediate level exit between the top and bottom of the upper part of the exchanger and higher than the outlet described in the preceding paragraph, having a temperature T 'greater than T.
  • T ' is between -30 ° C and -50 ° C.
  • the refrigerant stream downstream of this outlet 28 is expanded in a recess, for example a valve, to reduce its pressure and form a third flow (F ') of refrigerant at reduced pressure.
  • the pressures of the first (22), second (F) and third (F ') refrigerant at reduced pressure are substantially the same; for example, about 3 bara.
  • the refrigerant stream 22 vaporizes, at least partially, to the outlet, then downstream of this outlet will join the flow (F), the two streams are then mixed in the current (F). In the same way, this coolant stream (F) is mixed with the coolant stream (F ') if necessary.
  • the flow (F ') then passes back into the heat exchanger 2 and vaporizes completely to the outlet 24 of the heat exchanger.
  • 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.

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Abstract

Procédé de liquéfaction d'un courant d'hydrocarbures tel que le gaz naturel à partir d'un courant d'alimentation mettant en œuvre un échangeur de chaleur, par exemple un échangeur à plaques en aluminium brazé disposé verticalement comprenant une partie supérieure où la température est la plus élevée et une partie inférieure froide où la température est la plus faible, physiquement distincte de la partie supérieure, ledit procédé comprenant au moins l'étape suivante : introduction d'un courant réfrigérant diphasique dans l'échangeur de chaleur à partir d'au moins une entrée de la partie inférieure, de sorte que le sens du flux dudit réfrigérant dans l'échangeur de chaleur est descendant, caractérisé en ce que le ratio volumique du courant réfrigérant diphasique est compris entre 5% et 50%

Description

Introduction optimisée d'un courant réfrigérant mixte diphasique dans un procédé de 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). Le réfrigérant mixte est typiquement un mélange contenant des hydrocarbures.
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 puis il est introduit dans l'échangeur de chaleur principal (échangeur bobiné ou échangeur à plaques en aluminium brazé) 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 en formant une phase liquide et une phase vapeur l'ensemble des deux phases est remélangé 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 à -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.
Une partie importante de l'efficacité du cycle de réfrigérant mixte repose sur le fait que les courants de réfrigérant mixte après détente sont introduits sous l'état dyphasique dans l'échangeur de chaleur principal, et non pas comme liquide et de gaz séparés.
Aussi, dans l'art antérieur, le refroidissement est réalisé d'une manière descendante dans l'échangeur de chaleur tandis que la vaporisation (et donc l'introduction du courant réfrigérant diphasique) est réalisée dans une voie ascendante.
L'introduction du courant réfrigérant diphasique la plus difficile à gérer est celle effectuée à l'entrée la plus froide de l'échangeur de chaleur principal, où le taux de vaporisation partielle (en anglais « flash ») est très faible (quelques pourcents) : il n'y a pas assez de gaz pour assurer l'entraînement du flux liquide sans prévoir une chute de pression excessive. Dans les échangeurs à plaques en aluminium brazé la section disponible au bout le plus froid de l'échangeur peut être trop grande pour permettre d'entraîner facilement le liquide par le gaz dit « de flash » disponible
L'Introduction du courant réfrigérant diphasique réalisée à un niveau de température intermédiaire est moins critique car la quantité de vapeur augmente rapidement tout au long de l'échangeur de chaleur principal.
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 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 mettant en œuvre un échangeur de chaleur, par exemple un échangeur à plaques en aluminium brazé disposé verticalement comprenant une partie supérieure où la température est la plus élevée et une partie inférieure froide où la température est la plus faible, physiquement distincte de la partie supérieure, ledit procédé 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) : introduction d'un réfrigérant mixte dans l'échangeur de chaleur à partir d'au moins une entrée de la partie supérieure caractérisée par son niveau de température, le niveau de température étant le plus chaud (T1 ) de sorte que le sens du flux dudit réfrigérant mixte dans l'échangeur de chaleur est descendant;
Etape c) : sortie du courant réfrigérant issu de l'étape b) de l'échangeur de chaleur à partir d'une sortie caractérisée par son niveau de température T2, T2 étant inférieure à T1 ; de telle sorte que le courant est liquide
Etape d) : introduction du courant réfrigérant issu de l'étape c) dans l'échangeur de chaleur à partir d'au moins une entrée de la partie inférieure, de sorte que le sens du flux dudit réfrigérant mixte dans l'échangeur de chaleur est ascendant afin de produire un courant liquéfié en sortie d'échangeur; Etape e) : sortie du courant réfrigérant issu de l'étape d) de l'échangeur de chaleur à partir d'une sortie caractérisée par son niveau de température T3, T3 étant inférieure à T2, puis détente dudit courant réfrigérant ainsi obtenu afin de produire un courant réfrigérant diphasique ;
Etape f) introduction du courant réfrigérant diphasique issu de l'étape e) dans l'échangeur de chaleur à partir d'au moins une entrée de la partie inférieure, de sorte que le sens du flux dudit réfrigérant mixte dans l'échangeur de chaleur est descendant ;
caractérisé en ce que le ratio volumique du courant réfrigérant diphasique introduit à l'étape f) est compris entre 5% et 50%
Selon d'autres modes de réalisation, la présente invention concerne :
Un procédé tel que décrit précédemment caractérisé en ce que le ratio volumique du courant réfrigérant diphasique introduit à l'étape f) est compris entre 15% et 30%.
- Un procédé tel que décrit précédemment comprenant l'étape g) : passage du courant issu de l'étape f) dans la partie supérieure de l'échangeur de chaleur dans un sens ascendant depuis une entrée à la température T2.
Un procédé tel que décrit précédemment, caractérisé en ce que le courant réfrigérant mixte circule dans un circuit de réfrigération en cycle fermé.
- Un procédé tel que décrit précédemment, caractérisé en ce que T3 est comprise entre -170°C et -140°C.
Un procédé tel que décrit précédemment, caractérisé en ce que T2 est comprise entre -120°C et -40°C.
Un procédé tel que décrit 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.
L'invention a aussi pour objet une unité de liquéfaction d'un courant d'hydrocarbures tel que le gaz naturel comprenant au moins un échangeur de chaleur installé dans une position verticale, ledit échangeur comprenant une partie supérieure et une partie inférieure distincte de la partie supérieure, la partie supérieure présentant une région à haute température, la partie inférieure présentant une région à basse température, caractérisée en ce que ledit échangeur de chaleur comporte en sa partie inférieure au moins un passage pour l'écoulement d'un fluide réfrigérant mixte diphasique dans un sens descendant.
L'invention a aussi pour objet une unité tel que décrite précédemment dans laquelle ledit échangeur de chaleur est un échangeur à plaques en aluminium brazé.
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 visé par l'invention est de préférence un échangeur à plaques mais 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.
La solution proposée consiste à séparer l'échangeur de chaleur principal en au moins deux sections, l'une étant l'extrémité la plus froide de l'échangeur de chaleur principal et d'inverser cette section froide de sorte que l'introduction du courant réfrigérant diphasique est réalisée de façon descendante dans cette partie froide de l'échangeur de chaleur.
La solution proposée présente les avantages suivants :
- Réduction des dimensions de la section froide et moins de pertes résiduelles dans cette parie froide; car mieux adapté au sous-refroidissement du liquide à liquéfier.
- Les chutes de pression excessives sont évitées et le réfrigérant liquide est entièrement utilisé. En effet dans la partie retournée de l'échangeur le liquide descend sous l'effet de la gravité et n'a pas besoin de gaz pour progresser dans l'échangeur, même avec un taux volumique de liquide important au bout le plus froid. Le mélange ainsi partiellement vaporisé alimente l'échangeur à vaporisation ascendante où le ratio volumique liquide est plus faible et peut être facilement entraîné par le gaz disponible. 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 plaques en aluminium brazé. L'échangeur de chaleur est disposé de façon verticale et comprend deux parties 2 et 2'. La partie supérieure 2 est la partie dans laquelle la température est la plus élevée (par exemple comprise entre -130°C et 40°C) et la partie inférieure 2' est la partie dans laquelle la température est la moins élevée (par exemple comprise entre -160°C et -130°C).
En outre, la partie inférieure 2' est physiquement distincte de la partie supérieure 2 et est inversée par rapport à cette dernière, c'est-à-dire que le point le plus chaud de la partie inférieure 2' est située en bas alors que le point le plus froid de cette partie inférieure 2' est située en haut contrairement à la partie supérieure 2.
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 à la température T1 (par exemple comprise entre 0°C et 40°C), 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 T2 de la sortie 1 1 est plus basse que la température de l'entrée 9 de l'échangeur de chaleur 2. T2 est typiquement comprise entre -80°C et -120°C, par exemple -1 10°C. Dans son passage à travers la ligne 10, le courant de réfrigérant gazeux 8 est liquéfié. Le courant réfrigérant mixte 12 est alors introduit dans la deuxième section 2' de l'échangeur de chaleur qui est la partie inférieure par une entrée dont la température est sensiblement égale à T2 et est la température la plus élevée de cette partie inférieure 2'. Le sens du courant 12 circulant dans cette section 2' de l'échangeur de chaleur est ascendant. Le courant réfrigérant 12 se sous-refroidit le long d'une ligne 14 à travers la section 2' de l'échangeur de chaleur, jusqu'à une sortie 15. La température T3 de la sortie 15 est la plus basse des températures de l'échangeur de chaleur (2, 2'). T3 est typiquement comprise entre -140°C et -170°C, par exemple -160°C. Dans son passage à travers la ligne 14, le courant réfrigérant 12 est liquéfié tel que le flux de réfrigérant en aval de la sortie 15 est un courant liquide 16
Le courant réfrigérant 16 est alors détendu par exemple à l'aide d'une vanne 17, de manière à fournir un courant de réfrigérant à pression réduite 18.
Ce courant réfrigérant 18 est diphasique et a un ratio volumique liquide/gaz compris entre 5% et 50%.
Ce flux 18 est ensuite introduit dans la partie inférieure de l'échangeur de chaleur 2' par l'entrée 19 (au bout le plus froid de l'échangeur 2'). La température de l'entrée 19 est sensiblement égale à T3. L'introduction du courant 18 dans l'échangeur de chaleur via l'entrée 19 est alors telle que le passage de ce courant réfrigérant 18 à travers une ligne 20 dans l'échangeur de chaleur 2' se fait de manière descendante sous l'effet de la gravité jusqu'à une sortie 21 en bas de la partie inférieure 2' de l'échangeur de chaleur. La température de cette sortie 21 est sensiblement égale à T2. L'échangeur 2' est disposé de manière à délivrer un courant 22 avec un ratio volume liquide/gaz (moins de 15%) qui permette un entraînement ascendant facile du liquide par le gaz une fois introduit dans l'échangeur 2 au point 23.
Le courant réfrigérant 22 récupéré à la sortie 21 de la partie inférieure 2' de l'échangeur de chaleur est ensuite introduit via une entrée 23 dans la partie la plus basse de la partie supérieure de l'échangeur de chaleur 2 à une température sensiblement égale à la température de la sortie 1 1 . Le courant réfrigérant est alors réchauffé à travers l'échangeur de chaleur 2 jusqu'à la sortie 24 à la température T1 .
Un courant réfrigérant 25 gazeux circule dans le circuit 7 de réfrigération en aval de la sortie 24 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. Le procédé de compression est connu de l'état de la technique et le compresseur est par exemple un compresseur à au moins deux sections adiabatiques comprenant donc au moins deux refroidisseurs. Une fois comprimé dans la première section du compresseur, le courant réfrigérant est refroidi à l'aide d'un refroidisseur et est alors partiellement condensé.
Le courant réfrigérant est envoyé vers un séparateur de phases séparant ledit courant réfrigérant en un courant gazeux premier courant réfrigérant 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.
L'autre partie du courant réfrigérant est constitué des éléments les plus légers (c'est-à-dire, typiquement l'azote et le méthane) et suit ensuite le chemin décrit plus haut à partir de l'entrée 9 de l'échangeur de chaleur 2.
Les éléments de compression, refroidissement et séparation décrits dans ce paragraphe ne sont pas représentés sur la figure et sont schématisés par la boite 26.
Selon un mode particulier de l'invention (non illustré sur la figure), Un courant liquide du réfrigérant est introduit dans la partie supérieure de l'échangeur de chaleur 2 via une entrée à température T1 puis passe à travers l'échangeur 2 le avant d'être évacué de l'échangeur à une sortie dont le niveau de température est intermédiaire entre le haut et le bas de ladite partie supérieure 2 de l'échangeur, ayant une température T supérieure à T2.
Par exemple T est comprise entre -90°C et -1 10°C. Le courant de réfrigérant en aval de cette sortie est détendu dans un détendeur, par exemple une vanne, pour réduire sa pression et former un second flux (F) de réfrigérant à pression réduite. Ce dernier flux passe ensuite de nouveau dans la partie supérieure de l'échangeur de chaleur 2 et va jusqu'à une sortie de l'échangeur de chaleur qui peut être la sortie 24.
Selon un autre mode de l'invention, un autre courant liquide du réfrigérant est introduit dans la partie supérieure de l'échangeur de chaleur 2 via une entrée à T1 , puis passe à travers l'échangeur 2 avant d'être évacué de l'échangeur à une sortie à niveau intermédiaire entre le haut et le bas de la partie supérieure de l'échangeur et plus haut que la sortie décrite au paragraphe précédent, ayant une température T' supérieure à T.
Par exemple, T' est comprise entre -30°C et -50°C. Le courant de réfrigérant en aval de cette sortie 28 est détendu dans un détendu, par exemple une vanne, pour réduire sa pression et former un troisième flux (F') de réfrigérant à pression réduite.
De préférence, les pressions du premier (22), du deuxième (F) et du troisième (F') réfrigérant à pression réduite sont sensiblement les mêmes ; par exemple environ 3 bara.
Une fois entré dans l'échangeur de chaleur 2, le courant 22 de réfrigérant se vaporise, au moins partiellement, jusqu'à la sortie, puis en aval de cette sortie va rejoindre le flux (F), les deux courants sont alors mélangés dans le courant (F). De la même manière, ce courant réfrigérant (F) est mélangé avec le courant réfrigérant (F') le cas échéant.
Le flux (F') passe ensuite de nouveau dans l'échangeur de chaleur 2 et se vaporise totalement jusqu'à la sortie 24 de l'échangeur de chaleur.
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.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de liquéfaction d'un courant d'hydrocarbures tel que le gaz naturel à partir d'un courant d'alimentation (1 ) mettant en œuvre un échangeur de chaleur (2, 2'), par exemple un échangeur à plaques en aluminium brazé disposé verticalement comprenant une partie supérieure (2) où la température est la plus élevée et une partie inférieure (2') froide où la température est la plus faible, physiquement distincte de la partie supérieure (2), ledit procédé 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, 2') pour fournir un flux d'hydrocarbures au moins partiellement liquéfié ayant une température inférieure à -140°C ;
Etape b) : introduction d'un réfrigérant mixte (8) dans l'échangeur de chaleur (2) à partir d'au moins une entrée (9) de la partie supérieure (2) caractérisée par son niveau de température, le niveau de température étant le plus chaud (T1 ) de sorte que le sens du flux dudit réfrigérant mixte (8) dans l'échangeur de chaleur (2) est descendant;
Etape c) : sortie du courant réfrigérant issu de l'étape b) de l'échangeur de chaleur (2) à partir d'une sortie (1 1 ) caractérisée par son niveau de température T2, T2 étant inférieure à T1 ; de telle sorte que le courant (12) est liquide
Etape d) : introduction du courant réfrigérant (12) issu de l'étape c) dans l'échangeur de chaleur (2') à partir d'au moins une entrée (13) de la partie inférieure, de sorte que le sens du flux dudit réfrigérant mixte dans l'échangeur de chaleur (2') est ascendant afin de produire un courant liquéfié (16) en sortie (15) d'échangeur;
Etape e) : sortie du courant réfrigérant issu de l'étape d) de l'échangeur de chaleur (2') à partir d'une sortie (15) caractérisée par son niveau de température T3, T3 étant inférieure à T2, puis détente dudit courant réfrigérant ainsi obtenu afin de produire un courant réfrigérant diphasique (18) ; Etape f ) : introduction du courant réfrigérant diphasique (18) issu de l'étape e) dans l'échangeur de chaleur (2') à partir d'au moins une entrée (19) de la partie inférieure (2'), de sorte que le sens du flux dudit réfrigérant mixte dans l'échangeur de chaleur (2') est descendant ;
caractérisé en ce que le ratio volumique du courant réfrigérant diphasique (18) introduit à l'étape f) est compris entre 5% et 50%
2. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que le ratio volumique du courant réfrigérant diphasique (18) introduit à l'étape f) est compris entre 15% et 30%.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes comprenant l'étape g) : passage du courant issu de l'étape f) dans la partie supérieure (2) de l'échangeur de chaleur (2) dans un sens ascendant depuis une entrée (23) à la température T2.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant réfrigérant mixte circule dans un circuit de réfrigération (7) en cycle fermé.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que T3 est comprise entre -170°C et -140°C.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que T2 est comprise entre -120°C et -40°C.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant (8) réfrigérant mixte contient des constituants parmi l'azote, du méthane, de l'éthylène, de l'éthane, du butane et du pentane.
8. Unité de liquéfaction d'un courant d'hydrocarbures tel que le gaz naturel comprenant au moins un échangeur de chaleur installé dans une position verticale, ledit échangeur comprenant une partie supérieure (2) et une partie inférieure (2') distincte de la partie supérieure (2), la partie supérieure (2) présentant une région à haute température, la partie inférieure (2') présentant une région à basse température, caractérisée en ce que ledit échangeur de chaleur comporte en sa partie inférieure (2') au moins un passage (20) pour l'écoulement d'un fluide réfrigérant mixte diphasique (18) dans un sens descendant.
9. Unité selon la revendication précédente dans laquelle ledit échangeur de chaleur est un échangeur à plaques en aluminium brazé.
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