Brevet FR2013065A1 — publié le 19700327

- 1 - 2013065 L'invention concerne un procédé et une installation pour la production du froid, par condensation fractionnée d'un mélange gazeux comprenant des composants dont les points d'ébullition sont différents, en opérant sous une pression élevée, 5 par détente d'au moins une des fractions liquides dans la vapeur produite par au moins une fraction à faible point d'ébullition au cours de la détente et de l'évaporation, évaporation et échauffe-ment subséquents par échange de chaleur avec les milieux qui doivent être refroidis, et recompression du mélange de gaz ainsi 10 obtenu. Ce genre de procédés est mis en oeuvre en première ligne pour la liquéfaction du gaz naturel. Le froid est ici produit par mise en mouvement circulaire d'un mélange gazeux qui est constitué par les composants contenus dans le gaz naturel. 15 On peut utiliser aussi bien un circuit ouvert qu'un circuit fermé, c'est-à dire que le gaz qui doit être liquéfié et le gaz du circuit réfrigérant peuvent être liquéfiés ensemble ou séparément. Si en revanche on doit liquéfier un gaz qui présente une composition de matières autre que celle du mélange gazeux qui sert de milieu 20 réfrigérant, ce dernier devra circuler en circuit fermé. Un exemple de ce cas est la liquéfaction d'air à l'aide d'un mélange d'hydrocarbures comme milieu réfrigérant. Ces circuits de mélanges gazeux ont par suite trouvé, depuis quelque temps, un très vaste domaine 25 d'application, parce que comparativement au type classique de production de froid par une succession de plusieurs circuits réfrigérants séparés,comportant des agents réfrigérants différents, il suffit désormais d'un unique circuit réfrigérant et en conséquence d'un compresseur unique, le plus souvent un turbo-compresseur. 30 A ces avantages s'opposent deux incon vénients : premièrement le besoin en énergie est plus important que dans les procédés de production de froid ressortissant de l'état de la technique que l'on vient de citer, et deuxièmement, il a été établi, dans les recherches qui sont à la base de l'invention, qu' 35 il n'est pas possible, par les moyens connus, de répartir, sur la section d'entrée de 1'échangeur de chaleur qui doit être refroidi, le liquide détendu, aussi régulièrement que cela serait nécessaire dans les circuits fermés de mélange gazeux. L'invention a pour but de surmonter 40 ces inconvénients, c'est à dire, d'une part de diminuer le 69 24200 2 2013065 consommation d'énergie lors de la production de froid au moyen de circuits fermés de mélanges gazeux, et d'autre part d'assurer une meilleure répartition du liquide, détendu dans l'échangeur de chaleur qui doit être refroidi. caractérisé en ce qu » on comprime au moins une des fractions liquides dans un éjecteur, dans la vapeur qui se forme en même temps au cours de la détente et de 1'évaporation d'au moins une fraction à faible point d'ébullition, on la mélange intimement avec le liquide 10 détendu, et on la détend à la pression de l'évaporateur, et le mélange intime de liquide et de vapeur qui sort de l1électeur étant envoyé à l'échangeur de chaleur avec le milieu qui doit être refroidi. 15 est représenté dans la figure 1, d'une façon connue en soi, d'une buse a, par où sort le milieu sous pression, ce qu'on appelle le jet propulseur, d'un tube b disposé sur le même axe pour envelopper ce jet, tube dont la section moyenne est désigné comme la chambre mélangeuse ç, et .de la section terminale qui s'élargit cohi-20 quement, comme le diffuseur d. Le jet propulseur qui se détend au cours de sa sortie de la buse aspire, par"la fente annulaire qui se trouve entre la buse et le tube du gaz, du milieu ambiant, et se mélange avec lui. Le gaz aspiré est ici comprimé suivant le principe de la transmission d'impulsions. 25 Dans la technique du froid, on a jusqu'ici utilisé les éjecteurs^pour faire baisser encore la pression sous laquelle bout un liquide détendu,avec étranglement, de façon que des températures encore plus basses puissent être obtenues, ce qui joue un rôle déterminant dans les installations 30 de réfrigération à l'hélium, grâce auxquelles on doit préparer un bain réfrigérant d'hélium bouillant sous vide. C'est de l'hélium qui se trouve à l'état hypercritique qui sert là de jet propulseur. Cet hélium est d'abord détendu par un éjecteur à une pression intermédiaire sous-critique, et est ensuite fractionné dans un sépara-35 teur pour séparer sa phase liquide de la phase gazeuse. Le liquide est alorS détendu plus fortement à la pression de 1'évaporateur en passant par une -soupape d'étranglement. La vapeur qui sort de" l'évaporateur est comprimée dans 1* éjecteur à la pression intermédiaire , le gaz qui s1 échappe du séparateur étant envoyé au. compres-40 seur du circuit réfrigérant» De cette façon, les pertes qui se 5 Le procédé suivant l'invention est Un éjecteur est constitué, comme il 69 24200 - 3 - 2013065 produisent lors de la détente par étranglement irréversible courante du condensateur à la pression de 11évaporateur,se trouvent diminuées. l'invention se différencie de cette 5 disposition du fait que plusieurs fractions, séparées d'un mélange gazeux au cours de la condensation fractionnée, sont détendues directement dans des électeurs du condenseur L la pression de 1'évaporateur, le mélange qui sort de 1'éjecteur, composé de vapeur et de liquide, étant envoyé directement sans interposition 10 d'un séparateur à l'échange de chaleur, et la vapeur qui doit être comprimée provenant, non du liquide fourni à 1'éjecteur concerné, mais de 1'évaporation d'un liquide à faible point d1ébullition. l'utilisation d'électeurscomme organes de détente est particulièrement avantageuse dans le cas précisé-15 ment d'un circuit de gaz mélangés, parce qu'ici, en raison du fait que l'on dispose de gaz à comprimer qui provient d'une évaporation qui se produit à une plus basse température, la détente irréversible dans la soupape d'étranglement peut être remplacée, pas' seulement partiellement, mais bien complètement, par la détente 20 dans 1'éjecteur qui s'approche de la réversibilité. - Il est ainsi obtenu simultanément les deux effets suivants : d'une part, il est obtenu dans le dispositif de détente lui-même un mélange de liquide et de vapeur si intime que les gouttelettes de liquide se répartissent régu-25 lièrement sur la surface de la section de l'échangeur de chaleur, et, d'autre part, ces gouttelettes sont entrainées, par le courant gazeux, aussi dans les zones où la température est la plus haute de sorte qu'il est assuré que 1'évaporation, même de constituants liquides bouillant à un point plus élevé, est complète. 50 Ce fait est particulièrement important dans les circuits à mélanges gazeux précisément, car chaque échan-geur de chaleur doit ici faire face à des différences de températures relativement importantes, alors que la différence de température dont on dispose pour l'échange de chaleur dans un plan 35 déterminé de la section est faible, et par ce que le liquide qui doit être évaporé contient des composants dont les points drébullition sont différents, et qu'ainsi, les parties difficilement vaporisables restent déposées, si la répartition est irrégulière sur les points de l'échangeur de chaleur qui sont moins bien 40 balayés par le courant gazeux. • 69 24200 2013065 Deuxièmement, la consommation en énergie destinée au compresseur du circuit est en même temps diminuée en raison de la pression d'aspiration au moyen du dispositif utilisé pour la détente. Pendant que, dans les circuits à mélanges 5 gazeux à détente par étranglement notamment, la pression de 1'évaporation s! abaisse progressivement, en raison de la perte de charge, de l'échangeur de chaleur qui travaille à la température la plus basse jusqu'à celui qui travaille à la température la plus élevée, la pression de 11évaporisation suivant l'invention peut 10 être augmentée dans la direction voulue ou maintenue à un même niveau; dans les cas les plus défavorables, la perte de pression que l'on peut attribuer à la résistance à l'écoulement est au moins diminuée. L'invention n'entraine aucun frais sup-15 plémentaire d'appareillage, car les soupapes d'étranglement et les éjecteurs peuvent être établis pour des prix qui diffèrent peu. Il y aura avantage à choisir la pression de 1*évaporateur telle que 1'énergie dont on dispose i .ur assurer un travail lors de la détente dans lféjecteur suffise j. jur 20 comprimer à la pression de l'évaporateur la quantité de vapeur qui se forme lors de la détente et de 1'évaporation d'au moins une fraction à faible point d'ébullition. Une façon avantageuse de mettre en pratique l'invention consiste à choisir un ordre de grandeur égal 25 pour la quantité de liquide qui doit être détendue dans un éjecteur par unité de temps et pour la quantité de gaz à comprimer dans celui-ci exprimée en Hm3. Si l'on liquéfie du gaz naturel, il est avantageux, dans une autre forme donnée à l'invention, de choisir la quantité de gaz envoyée dans le circuit réfrigérant telle 30 qu'elle soit environ trois à cinq fois plus grande que la quantité de gaz que l'on doit liquéfier au moyen du froid produit. Pour empêcher une sédimentation de la quantité de gaz qui sort de 1'éjecteur en liquide et vapeur, il y a liau de veiller à ce qu'il ne se trouve entre 1'éjecteur et 35 l'échange de chaleur aucune pièce qui pourrait jouer le rôle de séparateur. Dans un autre mode de réalisation de 1'invention, on obtient cette condition en introduisant le mélange de,liquide et de vapeur formé dans 1'éjecteur dans l'échangeur de chaleur par le raccord d'entrée de ce dernier, constitué comme, diffuseur 40 de 1'éjecteur. * 69 24200 - 5 - 20131065 Suivant un mode d'exécution de l'invention particulièrement recommandé, le gaz sous pression liquéfié par le froid produit est détendu dans un éjecteur qui se trouve dans un séparateur, et ensuite emmagasiné, la vapeur qui se trouve 5 sur le liquide emmagasiné sous l'effet de la chaleur est comprimée dans cet éjecteur, et le gaz qui sort du séparateur est échauffé sur une voie d'écoulement séparée par échange de chaleur avec le milieu qui doit être refroidi. Il y aura encore avantage à réaliser ^0 le procédé suivant l'invention dans des conditions telles que les fractions soient encore refroidies plus "bas avant la détente par échange de chaleur avec le liquide déjà détendu. L'installation destinée à l'application du procédé suivant l'invention est caractérisée en ce qu'un "15 éjecteur est relié à l'extrémité froide d'un échangeur de chaleur de façon telle que le raccord d'entrée de l'échangeur de chaleur constitue en même temps le diffuseur de 1'éjecteur. En dehors des composants du gaz naturel, d'autres mélanges d'agents réfrigérants aussi, par 20 exemple des mélanges d'oléfines, ou d'oléfines et de paraffines, conviennent comme milieux réfrigérants. Comme autre exemple d'un milieu réfrigérant utilisable dans- un circuit de mélange de gaz, on peut encore établir un mélange de paraffines halogénéps telles qu'elles sont connues sous la 25 désignation commerciale de "Fréon" avec de l'éthylène et du méthane. La description ci-après s e rapporte à un exemple d'installation suivant l'invention avec références aux représentations schématiques des figures 2 à 4. 30 - la figure 2 représente l'esquisse schématique d'un procédé fonctionnant avec un circuit réfrigérant fermé; ce procédé sera de préférence utilisé si la pression du gaz naturel se situe entre 20 et 60 kg/cm2. - la figure 3 représente l'esquisse 35 schématique d'un procédé qui fonctionne avec un circuit réfrigé- .rant ouvert et qui aussi se prête en conséquence à la liquéfaction de gaz naturel sous une faible pression. - la figure 4 montre la jonction entre 1'éjecteur et l'échangeur de chaleur. 4-0 Suivant le schéma de la figure 2f le 69 24200 — 6 — 2013065 gaz naturel sous pression arrive par la canalisation 1, est refroidi dans les échangeurs de chaleur 2, 3, 4 et 5 et liquéfié, puis détendu dans l1 éjecteur 6 à environ 1,2 kg/cm2. Le liquide et le gaz sont séparés l'un de l'autre dans le séparateur 7«Le li-5 quide arrive par la soupape de régulation 8 dans la citerne 9# La vapeur qui sort du liquide emmagasiné sous l'effet de la chaleur se trouve sous une pression d'environ 1,03 kg/cm2 et ne peut être retournée dans l'installation qu'en tirant parti du froid qu'elle contient, si par exemple elle est comprimée par une soufflerie à 10 gaz froid à un point qui surmonte la chute de pression de l'échangeur de chaleur et des autres parties de l'installation. Pour soulager ou économiser cette soufflerie, la vapeur venant de la citerne 9 est aspirée par 1'éjecteur 6 en passant par la canalisation 10> comprimée à 1,2kg/cm2, renvoyée par la canalisation 11, 15 et fournie comme gaz combustible. Le gaz du eircuit est constitué d'azote, de méthane» d'éthane, de propane et»dé butane. Il est comprimé dans le compresseur 12 à 30 à 35 kg/cm2, et refroidi dans le refroidisseur à eau 13. Les hydrocarbures en qui se condeh-20 sent principalement ici, ainsi qu'une partie des hydrocarbures en Cj et 0g sont séparés dans le séparateur 14, refroidis à une température inférieure dans l'échangeur de chaleur 2, et détendus dans 1*éjecteur 15 à 1,6 kg/cm2 évaporés danb l'échangeur de chaleur 2, et aspirés à nouveau par le compresseur 12 du circuit sous une 25 pression de 1,5kg/cm2. La vapeur qui sort du séparateur 14 est refroidie dans l'échangeur de chaleur 2 suffisamment pour que les hydrocarbures en 0^ et 0^ se condensent principalement. Ils seront séparés de la phase gazeuse dans le séparateur 16, refroidis dans l'échangeur de chaleur 3, détendis dans l'éjecteur 17 à 1,6 kg/ 30 cm2, et renvoyés à l'échangeur de chaleur 3, pour y être vaporisés à contre-courant avec les courants de liquide et de gaz qui doivent être refroidis. La vapeur qui sort de l'échangeur de chaleur 3 par la canalisation 18 sous une pression de 1,55 kg/cm2., est envojée à l'éjecteur 15 et est comprimée"dans celui-ci à 1,6 kg/cm2, ce 35 qui compense la chute de pression qui s'est produite dans l'échangeur de chaleur 3. Le gaz qui s'échappe du séparateur 16 est encore partiellement condensé par refroidissement dans 1'échan-geur de chaleur 3. Les composants éthane et méthane, principalement 40 liquéfié sont rassemblés dans le séparateur 19, refroidis flâna 69 24200 - 7 - 2013065 le séparateur 19» refroidis dans l'échangeur de chaleur 4, détendus dans l'éjecteur 20 à 1,4 kg/cm2, et vaporisés sous cette pression dans l'échangeur de chaleur 4. Ils quittent l'échangeur de chaleur 4 sous une pression de 1,35 kg/cm2, arrivent par une 5 canalisation 21 dans l'échangeur 17 pour y être compressés à 1,6 kg/cm2. Le gaz; qui vient du séparateur 19,constitué maintenant principalement de méthane et d'azote,est finalement refroidi dans les échangeurs de chaleur 4 et 5 et liquéfié, détendu dans la soupape à étranglement 22 à 1,2 kg/cm2, et retourné à l'échangeur de cha-10 leur 5. La chute de pression dans 11échangeur de chaleur 5 s1 élève de nouveau à environ 0,05 kg/cm2,de sorte que la vapeur arrive dans l'éjecteur 20 par la canalisation 23 sous une pression de 1,15 kg/cm2, et est comprimée par celui-ci à 1,4 kg/cm2. La quantité de gaz du circuit est, dans ce cas, trois fois plus 15 grande que la quantité de gaz naturel à liquéfier. Dans le procédé suivant la figure 3, le gaz naturel arrivant par la canalisation 30,et qui se trouve sous une pression de 35 kg/cm2,et le gaz du circuit comprimé dans le com- • presseur 31 à 35 kg/cm2, et refroidi dans le refroidisseur à eau 20 32, sont envoyés en commun,par la canalisation 33, à l'échangeur de chaleur 34. Là se liquéfient principalement les hydrocarbures lourds, qui seront rassemblés dans le séparateur 35, refroidis dans l'échangeur de chaleur 36, et détendus dans l'éjecteur 37 à 1,6 kg/cm2. La vapeur qui se forme à ce moment arrive par une 25 canalisation 38,sous une pression de 1,55 kg/cm2,dans l'échangeur de chaleur 34, et est aspirée par le compresseur du circuit sous une pression de 1,5 kg/cm2. La vapeur qui sort du séparateur 35 continue à être refroidie dans l'échangeur de chaleur 36, avec condensation de propane et d'éthane principalement. La phase 30 liquide est séparée dans le séparateur 39, refroidie dans l'échangeur de chaleur 40 et détendue à 1,6 kg/cm2 dans l'éjecteur 41. La vapeur,qui sort de l'échangeur de chaleur 40 par une canalisation 4-2, est à une pression de 1,55 kg/cm2 et est comprimée dans 1'éjecteur 37 à 1,6 kg/cm2. La vapeur qui s'échappe du 35 séparateur 39 continue à se refroidir dans l'échangeur de chaleur 40. Il se qualifie principalement de l'éthane et du méthane, qui sont rassemblés dans le séparateur 43, refroidis dans l'échangeur de chaleur 44 et détendus à 1,4 kg/cm2 dans la soupape à étranglement 45. Le liquide s1 évapore dans 11échangeur de chaleur 40 44 en donnant ses frigories d'évaporation, et la vapeur produite 69 24200 œ> 8 «• 2013065 arrive par une canalisation 46, sous une pression de 1,35 kg/cm2 dans l'éjecteur 4t, où elle est comprimée à 1 ,6 kg/cn}2. Le gaz qui sort du séparateur 43 est constitué» pour la plus grande part, de méthane. Il est liquéfié 5 et re-froidi dans l'échangeur de chaleur 44, détendu dans .3-'éjecteur 47 à 1,2 kg/cm2, puis séparé dans le séparateur 48 des parties restées gazeuses, le liquide est envoyé par une soupape de régulation 49 à la citerne à gaz liquéfié 50, dans laquelle il est délivré à 1'extrémité inférieure, suivant l'état de remplissage de la 10 citerne sous une pression qui peut atteindre 2^5 kg/cm2. Le coussin de gaz qui est sous le plafond de la citerne se trouve sous une pression d'environ 1, 03 kg/cm2. La vapeur qui s'échappe de la citerne est comprimée dans l'éjecteur 47 à 1^2 kg/cm2 et est extraite de l'installation par la canalisation 52. 15 Le procédé suivant la figure 3 se prête aussi, comme on l'a déjà dit, à la liquéfaction de gaz naturel qui se présente sous me pression relativement faible• Si la pression du gaz naturel est plus "basse que celle du compresseur du circuit - réfrigérant, le gaz naturel est fouriii dans un étage inter-20 médiaire du compresseur du circuit réfrigérant et est comprimé en commun, avec le gaz du circuit à la pression finale voulue. La fiâure 4 montre la jonction de l'éjecteur E avec l'échangeur de chaleur W. Les références ont la même signification que dans la figure 1• Dans la buse a, le jet 25 propulseur qui est dans ce cas le liquide sous pression, formé par la condensation fractionnée, est détendu et il se mélange dans la chambre mélangeuse e avec la vapeur aspirée par l'embouchure du tube b, et qui vient de l'extrémité chaude de l'échangeur de chaleur fonctionnant à température basse la plus voisine -. Le mélange 30 intime de liquide et de vapeur qui se forme arrive par le diffuseur d à l'extrémité froide de l'échangeur de chaleur ¥. Le diffuseur d représente en même temps le raccord d'entrée de cet échangeur de chaleur W; il est relié à la chambre mélangeuse ç par une bride P. 35 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre.de l'invention# 69 24200 - g - 2013065 REVENDICATIONS 1°/ Procédé pour la production du froid par condensation fractionnée d'un mélange gazeux sous pression élevée contenant des composants dont les points d1ébullition sont 5 différents, détente d'au moins une des fractions liquides dans la vapeur produite par la détente et 1'évaporation d'au moins une fraction à faible point d1ébullition, suivie d'une évaporation et d'un échauff ement par échange de chaleur avec le milieu qui doit être refroidi et recompression du mélange gazeux ainsi obtenu, 10 procédé caractérisé par ce qu'on comprime au moins une des fractions liquides dans un éjecteur, dans la vapeur qui se forme en même temps au cours de la détente et de 1'évaporation d'au moins une fraction à faible point d'ébullition, on la mélange intimement avec le liquide détendu, et on la détend à la pression 15 de 1'évaporateur, et le mélange intime de liquide et de vapeur qui sort de l'éjecteur étant envoyé à l'échangeur de vapeur avec le milieu qui doit être refroidi. 2°/ Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la pression de 1'évaporateur est choisie telle que 20 l'énergie disponible au cours de la détente dans l'éjecteur suffit pour comprimer à la pression de 1'évaporateur la quantité de vapeur qui se produit au cours de la détente et de 1 'évaporation d'au moins une fraction à faible point d'ébullition. 3°/ Procédé suivant les revendications 1 ou 2, 25 caractérisé en ce que la quantité de liquide qui doit être détendue par unité de temps dans un éjecteur et la quantité de vapeur que l'on doit comprimer calculée en Nm3, sont choisies d'un ordre de grandeur égal. 4°/ Procédé suivant l'une quelconque des reven-30 dications 1 à 3, caractérisé en ce que dans le cas de liquéfaction de gaz naturel, la quantité de gaz fournie dans le circuit réfrigérant est choisie pour être environ trois à cinq.fois plus grande que la quantité de gaz naturel qui doit être liquéfiée par le froid produit. 35 5°/ Procédé suivant l'une quelconque des reven- • dications 1 à 4, caractérisé en ce que le. mélange de liquide et de vapeur formé dans l'éjecteur est introduit dans l'échangeur de chaleur par le raccord d'entrée de ce dernier qui est formé comme diffuseur de l'éjecteur. 40 6°/ Procédé suivant l'une quelconque des reven 69 24200 - 10 - 2013065 dications 1 à 5, caractérisé en ce que le gaz sous pression, liquéfié par le froid produit, est détendu par un éjecteur dans un séparateur et ensuite emmagasiné, la vapeur qui se forme sous l'effet de la chaleur sur le liquide emmagasiné étant comprimée 5 dans cet éjecteur, et le gaz qui sort du séparateur par une voie d'écoulement séparée étant échauffé par échange de chaleur avec le milieu qui doit être refroidi. 7°/ Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la température des fractions 10 liquides est abaissée par échange de chaleur avec le liquide avant la détente. 8°/ Installation pour l'exécution du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'un, éjecteur est relié à l'extrémité froide d'un échangeur 15 de chaleur de telle façon que le raccord d'entrée de l'échangeur de chaleur constitue en même temps le diffuseur de l'éjecteur.