Brevet FR2123095A1 — publié le 19720908

La présente invention a pour objet un procédé et une installation perfectionnés pour le refroidissement d'un mélange gazeux à "basse température. Elle concerne plus précisément un procède et une installation perfectionnés pour le refroidissement et/ou la liquéfaction d'un mélange gazeux, dans lequel 5 un mélange de cycle est soumis à une condensation fractionnée et au moins 1' une des fractions liquides obtenues est détendue, vaporisée en échange de chaleur avec le mélange en cours de refroidissement puis recomprimée et renvoyée à la condensation fractionnée. Au Congrès du froid de Copenhague, A.P. Kleemenko (comptes-rendus du 10 Congrès, 1959s p 3*0 a décrit un cycle de réfrigération dit "cycle à cascade incorporée, dans lequel au moins l'une des fractions condensées est détendue, vaporisée en' échange de chaleur avec le mélange gazeux en cours de refroidissement puis recomprimée à la pression initiale. Un tel cycle ne nécessite qu'un seul compresseur au lieu du compresseur par 15 fluide frigorifique qui est habituellement nécessaire. On connaît également du "brevet français n° 1 302 989 et des certificats d'addition n° 80 29^ et n° 86 U85 au nom de la demanderesse, des procédés et installations améliorés pour le refroidissement d'un mélange gazeux, dans lesquels, le fluide frigorigène, ou mélange de cycle constitué par un mélange 20 de corps pur (généralement formé d'hydrocarbures et d'azote dans le cas d'une application à la liquéfaction du gaz naturel), subit me série de condensations partielles sous pression et les fractions liquides obtenues sont vaporisées sous basse pression pour apporter la réfrigération nécessaire, aux niveaux de température requis, pour le refroidissement et l'éventuelle conden-25 sation du mélange gazeux à traiter et pour l'éventuelle compensation des besoins extérieurs. Les fractions vaporisées obtenues à un ou deux niveaux de pression distincts, sont retournées vers un compresseur à un ou deux étages de compression. Les procédé et installation selon les brevets précités donnent satisfaction 30 mais, dans le cadre de ces recherches et perfectionnements, la demanderesse 70 46084 2 2123Ô9S a constaté qu'il était possible de faire mieux encore. Ainsi, par exemple, dans le cas des cycles à pression de vaporisation unique dans lesquels les haute et basse pressions sont déterminées, la demanderesse a pu constater qu'il était possible, en réduisant l'écart de température existant entre la 5 courbe de condensation et la courbe de vaporisation du fluide frigorigène (ou fluide de cycle), de réduire la perte d'énergie que l'on constate dans tous les échanges connus et qui est encore • insuffisamment compensée par le gain réalisé sur les surfaces d'échanges. On sait en effet que cet écart dépend très peu de la composition du fluide de cycle mais qu'il dépend surtout du 10 rapport des pressions ; or, certaines contraintes imposées par ailleurs quant au choix du rapport des pressions se traduisent généralement par une valeur élevée de cet écart au niveau de l'échangeur le plus chaud- Les procédé et installation suivant la présente invention sont mieux adaptés que les procédés et installations connus à l'utilisation d'un compres-15 seur de cycle axial du fait que l'on emploie deux étages de compression tels que le débit du deuxième étage soit plus important que celui du premier étage. La présente invention a pour objet un perfectionnement au procédé pour le refroidissement et/ou la condensation d'un mélange gazeux à l'aide d'un fluide frigorigène ou mélange de cycle, éventuellement formé par le mélange gazeux, 20 circulant dans un cycle de réfrigération ouvert ou fermé dans lequel ce fluide subit une condensation fractionnée et au moins l'une des fractions condensées est détendue à une pression dite basse puis au moins en partie vaporisée en échange de chaleur avec le mélange en voie de condensation et ladite fraction condensée en voie de sous-refroidissement, et est recomprimée à une pression 25 dite haute selon deux étages de compression, ce perfectionnement étant caractérisé en ce que la valeur de la détente d'au moins la première des fractions condensées que l'on vaporise est inférieure à la différence entre lesdites haute et basse pressions. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, la valeur de la 30 détente est égale à l'un des taux de compression desdits étages de compression. Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, la fraction liquide du fluide frigorigène ou fluide de cycle, provenant du deuxième étage de compression est détendue à la pression intermédiaire et la fraction liquide re-35 cueillie après cette première détente est sous-refroidie et détendue à la pression dite basse puis vaporisée par échange de chaleur avec le mélange en voie de refroidissement puis ramenée au coté aspiration du premier étage de compression.- 46084 3 2123095 Suivant un autre mode encore de réalisation de l'invention, la fraction liquide du fluide frigorigène ou fluide de cycle provenant du deuxième étage de compression est sous-refroidie et détendue à la pression intermédiaire puis en partie vaporisée par échange de chaleur éventuellement avec le mélange en voie de refroidissement puis la fraction liquide à pression intermédiaire recueillie est sous-refroidie et détendue à la pression dite "basse puis vaporisée par échange de chaleur avec le mélange en voie de refroidissement et amenée au coté aspiration du premier étage de compression. Suivant une forme d'exécution du procédé de l'invention, les fractions vaporisées recueillies à ladite pression intermédiaire sont ramenées au coté aspiration du deuxième étage de compression. Suivant une autre forme d'exécution de la présente invention, les fractions gazeuses recueillies à ladite pression haute subissent une liquéfaction fractionnée par échange de chaleur avec lesdites fractions détendues en voie de vaporisation. Suivant une autre forme encore d'exécution de la présente invention, les fractions gazeuse et liquide recueillies à ladite pression haute, et la fraction liquide recueillie après la première détente, sont simultanément refroidies par échange thermique avec la fraction détendue en voie de vaporisation partielle. D'autres "buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des figures jointes, dans lesquelles les mêmes chiffres de référence correspondent à des parties identiques. Sur ces dessins : la figure 1 représente un mode de réalisation connu ; les figures 2, 3 et h représentent trois modes de réalisation conformes à la présente invention. Sur la figure 1, un mélange gazeux à refroidir et/ou à liquéfier, amené par line conduite 1, traverse successivement les échangeurs 10, 20, 30. Un fluide frigorigène, éventuellement constitué des mêmes composants que le mélange gazeux précité, comprimé à une pression de Uo "bars, dans un compresseur 2 à deux étages 2' et 2", est, après passage dans un réfrigérant 3, amené à un séparateur 3 dans lequel on recueille une fraction liquide et une fraction gazeuse. La fraction liquide U et la fraction gazeuse 5 traversent l'échangeur 10 à co-courant avec le mélange gazeux de la conduite 1, puis la phase liquide sous-refroidie obtenue est détendue en V et retournée par la conduite h" dans l'échangeur 10 qu'elle traverse à contre-courant du mélange 70 46084 2123095 gazeux de la conduite 1 en se vaporisant, provoquant d'une part le sous-refroidissement de la fraction liquide d'autre part la condensation partielle de la fraction gazeuse 5 et le refroidissement du mélange gazeux de la conduite 1. 5 La fraction gazeuse 5 après condensation partielle dans l'échangeur 10 est amenée par la conduite 5' dans le séparateur 13 dans lequel on obtient une fraction liquide et une fraction gazeuse. La fraction liquide et la fraction gazeuse 15 sont à leur tour passées dans l'échangeur 20 et respectivement sous-refroidies et partiellement condensées par vaporisation de la 10 fraction liquide 14 détendue en lU'et introduite par la conduite 1V dans 1' échangeur 20 dans lequel elle circule à contre-courant des deux fractions 11; et 15- La fraction gazeuse 15, liquéfiée dans l'échangeur 20 est conduite dans l'échangeur 30 dans lequel elle est sous-refroidie du fait de la vaporisation 15 après détente en 15' et retour à l'échangeur 30 par la conduite 15". La fraction vaporisée retirée de l'échangeur 30 par la conduite 26 est amenée à 1' échangeur 20 dans lequel elle se réunit à la fraction détendue en voie de vaporisation de la conduite 14' et le mélange gazeux de la conduite 16 est ajouté dans l'échangeur 10 à la fraction détendue en voie de vaporisation 20 amenée par la conduite 1+. Le mélange gazeux de la conduite 6 est retourné au coté aspiration du compresseur 2'. La figure 2 présente un mode de réalisation de l'invention dans lequel la fraction liquide U est détendue en 104 à la pression intermédiaire d'aspiration du compresseur 2". La fraction liquide séparée dans l'échangeur 103 est 25 amenée par la conduite 11 il- dans l'échangeur 10 puis, après passage dans cet échangeur, est détendue à la pression d'aspiration du compresseur 2' ou pression basse et ramenée par la conduite 11V dans l'échangeur 10 où elle est vaporisée par échange de chaleur avec le mélange gazeux en voie de refroidissement, avec la fraction liquide 114 à pression intermédiaire et avec la frac-30 tion gazeuse à pression haute de la conduite 5- Le mode de réalisation de la figure 2, par comparaison avec celui de la figure 1, permet de réduire la dépense d'énergie moyennant une diminution de l'écart de température sur l'échangeur chaud. En effet, d'une part, le débit total de gaz de cycle au refoulement du compresseur peut être pratiquement 35 inchangé par rapport au schéma de base (le bilan est pratiquement le même sauf en ce qui concerne la vapeur obtenue à la pression intermédiaire, qui est envoyée à plus basse température au compresseur). D'autre part, on économise la compression, sur le premier étage, de toute la vapeur formée au cours de la 46084 5 2123095 détente du liquide de cycle. Si, par exemple, le taux de compression est le même sur les deux étages, cette vapeur peut représenter 10 à \2% du gaz de cycle. Dans ce cas, le gain en énergie est de 5 à, 6!. Par ailleurs, le liquide restant après détente est enrichi en produits lourds (à points d'ébullition élevés) par rapport au liquide initial. La vaporisation dans l'échangeur chaud se fait donc à une température plus élevée et l'écart de température dans cet échangeur est réduit. Cependant, la variation relative de cet écart reste faible et l'augmentation de surface d'échange également. La figure 3 représente un autre mode de réalisation dans lequel, la fraction liquide 3 après sous-refroidissement dans l'échangeur 200, est détendue en 20^' à la pression intermédiaire d'aspiration du compresseur 2" et ramenée par 20k" dans l'échangeur 200 dans lequel elle se vaporise partiellement, le mélange quittant l'échangeur 200 par la conduite 20^'" étant introduit dans le séparateur 203 dont la fraction gazeuse recueillie est ramenée par la conduite 215 à l'aspiration du compresseur 2". La fraction liquide recueillie dans le séparateur 203 est ramenée par la conduite 21k dans l'échangeur 200 puis dans l'échangeur 10 dans lesquels elle est sous-refroidie,puis elle est détendue à la pression d'aspiration du compresseur 2' dans la vanne 2îk' et ramenée par la conduite 21 if-" dans l'échangeur 10 où elle est vaporisée puis retournée par la conduite 6 au compresseur 2'. On constate que l'installation de la figure 3, par comparaison avec celle de la figure 1, permet d'obtenir un gain en énergie très net. En effet, le liquide du séparateur placé après le compresseur, peut être vaporisé par échange de chaleur avec une fraction chaude après détente à la pression intermédiaire. Le pourcentage de vapeur obtenu à là pression intermédiaire peut être ainsi considérablement augaenté. Toutes les frigories fournies de cette façon, sont deux fois moins coûteuses en énergie puisque la compression sur le gaz de cycle correspondant aura été réduite de moitié. Bien entendu, la surface d'échange nécessaire est d'autant plus grande que la vaporisation est poussée. Cette considération impose une limite au gain d'énergie que l'on peut espérer. Il peut cependant être de l'ordre de 10$. La ou les fractions chaudes que l'on refroidit (ou condense) ainsi peuvent être : le gaz de cycle après le séparateur haute pression, le liquide de ce séparateur avant détente, le liquide obtenu à la pression intermédiaire, le gaz naturel (s'il s'agit d'une liquéfaction de gaz naturel) ou tout autre 46084 6 5123095 fluide à une température voisine de l'ambiante qu'il s'agit de refroidir. La figure présente un autre mode de réalisation dans lequel la fraction liquide ^ est détendue en 30^' à la pression intermédiaire d'aspiration du compresseur 2' puis partiellement vaporisée et la fraction liquide quittant le séparateur 303 par la conduite 31^ traverse l'échangeur 300 puis l'échangeur 10 pour être détendue en h' puis ramenée à l'état vaporisé vers l'aspiration du compresseur 2'. Le cas ainsi représenté permet de disposer d'une plus basse température à l'aspiration du compresseur. La figure 5 représente, exprimée en valeurs relatives (c'est-à-dire pour liquéfier 1 Nm^de gaz naturel), la surface d'échange totale nécessaire dans les cas des figures 1, 2 et H en fonction de la puissance- à fournir au gaz de cycle. Ces courbes mettent en évidence le gain réalisé à surface d'échange égale ou à dépense d'énergie égale. La comparaison de ces courbes permet de constater : - que, par rapport au cas de la figure 1, celui de la figure 2 apporte des gains d'énergie de 5% environ à surface d'échange égale et de 6 à 10^ en surface d'échange à dépense d'énergie égale, - que le choix entre le cas de la figure 2 et celui de la figure U doit être fait cas par cas en fonction de critères économiques, le cas des figures 3 eti+ s'imposant quand l'énergie est chère, - que les cas des figures 2, 3 et U représentés sont mieux adaptés que le cas de la figure 1 à l'utilisation d'un compresseur de cycle axial puisque le débit du deuxième étage de compression est plus important que celui du premier . Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, elle est susceptible de nombreuses autres variantes, accessibles a l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on s'écarte pour cela de l'esprit de l'invention. 70 46084 "r 2123095 3 3 î si H D I C A 'P I 0 ;i S 1. Proaéd- pour le refroidissement et/ou la condensation d'un mélange gazeux à l'aide d'un fluide frigorigène ou mélange de cycle, éventuellement formé par le mélange gazeux, circulant dans un cycle de réfrigération ouvert ou fermé 5 dans lequel ce fluide subit une condensation fractionnée et au moins la première des fractions condensées est détendue, puis au moins en partie vaporisée en échange de chaleur avec le mélange en voie de condensation et au moins une partie de ladite fraction condensée en voie de sous refroidissement, et est recomprimée à la pression dite haute selon au moins une étape de compression, ce perfectionnement étant 10 caractérisé en ce que la première fraction condensée provient du deuxième étage de compression et en ce que sa détente se produit entre deux pressions dont la différence est inférieure à la différence entre les dites pressions haute et basse. 2. Procédé suivant la revendication 1., caractérisé en ce que la valeur de la détente est égale à l'un des taux de compression desdits étages de com- / 15 pression. 3. Procédé suivant les revendications 1. ou 2., caractérisé en ce que la première fraction condensée du fluide de cycle ou fluide frigorigène provenant du deuxième étage de compression est amenée à une pression intermédiaire et la fraction liquide recueillie, après son refroidissement, subit ladite détente à la pres-20 sion dite basse puis ladite vaporisation et est ramenée au côté aspiration du premier étage de compression. 4. Procédé suivant les revendications 1. ou 2., caractérisé en ce que la première fraction condensée du fluide de cycle ou fluide frigorigène provenant du deuxième étage de compression est sous refroidie puis subit ladite détente jus- 25 qu'à une pression intermédiaire, puis au moins en partie ladite vaporisation, les fractions vaporisées étant retournées au côté aspiration du premier étage de compression. 5. Procédé suivant une quelconque des revendications 1. à 4.» caractérisé en ce que les fractions gazeuses recueillies à ladite pression haute subis- 30 r ^ BAD ORIGINAL 70 46084 s 2123095 sent une liquéfaction fractionnée par échange de chaleur avec lesdites fractions détendues en voie de vaporisation. 6. Procédé selon une quelconque des revendications 3. à 5., caractérisé en ce que la partie non vaporisée de ladite fraction subissant la dite dé- 5 tente, est ultérieurement détendue et vaporisée, puis ramenée au côté aspiration du premier étage de compression. 7. Procédé selon une quelconque des revendications 1. à 6., caractérisé en ce que les fractions gazeuses et liquides recueillies à ladite pression haute, et la fraction liquide recueillie à la pression intermédiaire sont simulta- 10 nément refroidies par échange thermique avec la fraction détendue en voie de vaporisation partielle. 8. Installation pour la conduite du procédé suivant une quelconque des revendications 1. à 7. 9. Installation dite cycle à cascade incorporée suivant la reven- 15 dication 8., caractérisée en ce que le cycle de réfrigération est ouvert ou fermé.