Brevet FR2588646A1 — publié le 19870417

PROCEDE ET DISPOSITIF DE PRODUCTION DE PRODUITS DE GAZ LIQUEFIE La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de production de gaz liquéfiés, par exemple d'un gaz naturel liquéfié et elle a plus particulièrement pour objet une réduction de la quantité de gaz qui se forme par vaporisation instantanée (flash) et une réduction des équipements que requiert une installation de fabrication de gaz liquéfié, qui sont obtenues grâce à l'utilisation nouvelle d'un sépara- teur rotatif diphasique pour la séparation des phases liquide et gazeuse lequel peut éventuellement extraire du travail à partir du courant de gaz liquéfié. Dans les installations de fabrication de gaz naturel liquéfié dans lesquelles on amène du gaz naturel liquide de l'installation de fabrica- tion à un point de stockage, après son évaporation rapide (flash) dans une zone de flash à basse pression, un courant continu du gaz naturel liquéfié provenant d'un échangeur principal de l'installation de fabri- cation de gaz naturel liquéfié, est, comme cela est bien connu, passé soit à travers une valve de Joule-Thomson, soit à travers une pompe à fonctionnement inversé qui extrait du travail du courant et ensuite à une zone de flash à basse pression dans laquelle l'effluent de la valve de Joule-Thomson ou d'une pompe à fonctionnement inversé, est séparé en un premier courant constitué de gaz naturel liquéfié et en un second courant constitué de vapeur de gaz naturel. On envoie le gaz naturel liquéfié, par l'intermédiaire d'une pompe de transfert convenable, dans une installation de stockage et emploie la vapeur de gaz naturel comme combustible au sein de l'installation ou de l'usine. Fondamentalement, la valve de Joule-Thomson ou la pompe à fonc- tionnement inversé agit sur le courant de gaz naturel liquéfié provenant de l'échangeur principal de l'installation de fabrication de gaz naturel liquéfié à une température très basse, c'est-à-dire sous-refroidie, ce qui réduit de façon importante la température et la pression du liquide en écoulement. Lorsque l'on utilise dans une instal- lation une pompe à fonctionnement inversé, on en extrait du travail et on le transforme en énergie mécanique ou électrique à l'aide de compresseurs, pompes ou générateurs convenablement d'arbres couplés afin de fournir l'énergie à d'autres installations ou à d'autres organes de l'usine. Ainsi, l'énergie produite par le changement d'état dans la valve de Joule-Thomson ou le travail récupéré par la pompe à fonction- nement inversé, bien qu'il soit en quantité relativement faible, améliore de façon significative la production de gaz naturel liquéfie lorsqu'il est soumis à une évaporation rapide tout en produisant un volume plus faible de gaz de flash ou de vapeur de gaz naturel, ce qui améliore l'économie du fonctionnement de l'installation de fabrication. Bien que l'utilisation de valves de Joule-Thomson et de pompes à fonctionnement inversé qui extraient du travail, par exemple des pompes centrifuges ou analogues, conduisent à une production d'énergie par changement d'état ou à une extraction detravail de courants liquides sous pression, ceci étant par exemple le cas d'un système de traitement cryogénique de gaz naturel liquéfié fonctionnant à des pressions élevées et à des températures extrêmement basses à la sortie de l'échangeur principal d'une installation de fabrication de gaz naturel liquéfié, la production d'énergie par changement d'état ou le travail extrait n'a pas en général permis l'obtention d'un taux de réduction du gaz de flash ou de vapeurs de gaz naturel, à la suite du "flashing" dans une zone de flash à basse pression, qui consuide à une quantité de gaz de flash qui satisfasse aux exigences en gaz combustible de l'installation. Au lieu de cela, on est en présence d'un excès appréciable ou d'un gaspillage de gaz naturels accompagné d'une réduction concomitante de la production de gaz naturel liquéfié obtenue de telle sorte que le potentiel de fonctionne- ment économique de l'installation de fabrication de gaz naturel liquéfié n'est pas parfait. Pour améliorer les conditions économiques de production de gaz naturel liquéfié, et réduire la quantité de gaz de flash et donc augmen- ter de ce fait le rendement en gaz naturel liquéfie, le brevet des EtatsUnis d'Amérique n0 4 456 459 décrit un dispositif et un procédé d'extraction de travail à partir d'un courant de gaz naturel liquéfié, à des températures extrêmement basses au moyen d'un système d'expansion hydraulique. L'effluent du système d'expansion hydraulique, lorsqu'on le flashe dans une zone de flash à basse pression, donne un rendement élevé en gaz naturel liquéfié et, par conséquent, une proportion plus faible de gaz de flash, ce qui améliore la conservation de l'énergie. Le système d'expansion hydraulique est utilisé à la place de la valve classique de Joule-Thomson ou de la pompe à fonctionnement inversé et le travail que l'on en extrait peut être utilement employé dans l'installa- tion pour faire fonctionner divers composants mécanisés par des compres- seurs, des pompes ou des générateurs convenablement couplés à son arbre. Dans une disposition particulièrement avantageuse, on interpose une valve de Joule-Thomson dans un conduit d'écoulement situé en relation de by-pass, en parallèle, avec la conduite comprenant le dispositif d'ex- pansion hydraulique et, essentiellement, située entre un échangeur principal de l'installation de production de gaz naturel liquéfié et la zone de flash à basse pression. La valve de Joule-Thomson est fermée pendant le fonctionnement normal de l'installation de façon à être neutralisée et la totalité du débit de gaz naturel liquéfié passe à travers le système d'expansion hydraulique. La valve de Joule-Thomson est rendue opérationnelle par ouverture pour qu'un courant la traverse, pendant les périodes o le dispositif d'expansion hydraulique est fermé, ou non opérationnel, pour faciliter le fonctionnement continu et non interrompu de l'installation de production de gaz naturel liquéfié, bien qu'avec un degré de rendement un peu plus faible, sans nécessiter aucune interruption du système. Bien que la disposition que l'on vient de décrire, qui fait usage d'un dispositif d'expansion à turbine, soit avantageuse pour réduire la quantité de vapeur produite tout en extrayant du travail d'un courant de gaz naturel liquéfie, la vapeur et la phase liquide produites par ce dispositif dont ils forment l'effluent doivent encore passer à travers un dispositif de flash à basse pression classique pour séparer les phases liquide et vapeur, la phase liquide provenant du dispositif de flash étant alors pompée de façon classique vers une installation de stockage. L'existence d'un dispositif de flash et d'une pompe pour liquides ajoutent naturellement aux frais d'investissement et d'entre- tien d'une installation de fabrication de gaz naturel liquéfié. Le besoin existe donc encore d'un procédé et d'un dispositif améliores de séparation des phases liquide et vapeur d'un courant de gaz liquéfié à très basse température, c'est-à-dire sous-refroidi, par exemple d'un courant de gaz naturel, qui éliminent la nécessité d'un dispositif de flash et d'une pompe de gaz liquéfié destinée à amener par pompage la phase liquide vers une installation de stockage. Le besoin existe également d'un procédé et d'un dispositif de séparation des phases liquide et vapeur d'un courant de gaz liquéfié à basse température, c'est-à-dire sous-refroidi, qui présentent un rende- ment de séparation amélioré pour le liquide par rapport au système de séparation employant une valve de Joule-Thomson et un dispositif de flash situés en aval. Il est également avantageux de disposer d'un procédé et d'un dispositif améliorés de séparation des phases liquide et vapeur d'un courant de gaz liquéfié utilisant un séparateur rotatif diphasique dans lequel le séparateur extrait éventuellement du travail. La présente invention a pour objet un dispositif de production de gaz liquéfié accompagnée d'une quantité réduite de vapeur de gaz, dans une installation de fabrication de gaz naturel liquéfié comprenant: - une première conduite d'écoulement destinée à recevoir un courant de gaz liquéfié provenant d'une installation de fabrication de gaz liquéfié; - un séparateur rotatif diphasique comprenant une entrée reliée à la première conduite d'écoulement, une sortie de vapeur et une sortie de liquide; des moyens pour relier la sortie de liquide du séparateur rotatif diphasique à des moyens de stockage de gaz liquéfié; et - des moyens de conduite de la vapeur de gaz depuis la sortie de vapeur. Dans un autre mode de réalisation, la présente invention a pour objet un procédé de préparation de gaz liquéfié faisant usage du dispo- sitif ci-dessus. Etant donné que le séparateur rotatif diphasique est également capable d'extraire du travail du courant de gaz liquéfié entrant, il est possible, avec une certaine perte de rendement de la transformation, d'utiliser également ce travail extrait pour le fonctionnement d'autres dispositifs, par exemple des compresseurs, des pompes, etc. associés à une installation de préparation de gaz naturel liquéfié. Il est également possible d'utiliser le séparateur rotatif dipha- sique en relation de by-pass parallèle avec une valve de Joule-Thomson classique ou un système d'expansion à turbine, de telle sorte que si le séparateur rotatif diphasique est mis hors service, existe encore un autre trajet d'écoulement de traitement du courant d'alimentation susceptible de fonctionner, ce qui empêcherait la fermeture du système. La figure unique illustre un diagramme schématique d'écoulement d'un courant de gaz naturel liquéfié provenant de l'échangeur principal d'une installation typique de fabrication de gaz naturel liquéfié à travers le séparateur rotatif diphasique. La figure montre un dispositif 10 de production de gaz naturel liquéfié. L'invention peut également être utilisée avec tout autre courant de gaz liquéfié. La conduite d'alimentation 12 provient d'un échangeur principal non représenté d'une installation de fabrication de gaz naturel liquéfié typique bien connue dans l'état de la technique. La conduite 12 se raccorde à un séparateur rotatif diphasique 14. Le séparateur rotatif diphasique peut être un séparateur rotatif dipha- sique disponible dans le commerce tel que ceux fabriqués par Biphase Energy Systems de Santa Monica, Californie. Les séparateurs rotatifs diphasiques sont connus en soi. On peut trouver une description de ces dispositifs dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n 3 879 949; 4 298 311 et 4 336 693. Le séparateur rotatif diphasique 14 extrait du travail du fluide qui passe à travers lui. Il produit un effluent qui est en majorité du gaz naturel liquéfié que l'on fait ensuite passer dans la conduite 16. De façon typique, le système fonctionne à des températures extrêmement basses, par exemple à des températures de sous-refroidissement, le gaz naturel liquéfié se trouvant par exemple dans la conduite 12 à une température de -143 C (-225 F) et à une pression de 3 689 kPa (535 psia) en aval du séparateur rotatif diphasique tandis que, à la suite du passage à travers le séparateur diphasique, dans la conduite 16, la température de l'effluent peut être de -158 C (-251,7 F) et la pression de 1 862 kPa (270 psia). On fait passer l'effluent liquide de la condui- te 16 directement dans un réservoir 27 de stockage de gaz naturel liquéfié sans qu'une pompe ne soit nécessaire pour augmenter la pression du liquide à transporter dans le réservoir. La vapeur de la conduite 18 sortant du séparateur rotatif dipha- sique passe à travers la conduite 20 et on peut l'utiliser comme combus- tible pour entraîner d'autres composants dans l'installation ou on peut simplement l'envoyer à la torche si on en a aucunement besoin. L'arbre du séparateur rotatif diphasique 14 peut être couplé à des compresseurs, des pompes ou des générateurs convenables, ce qui permet au travail extrait du fluide s'écoulant à travers la conduite 12 d'être transformé en énergie mécanique et/ou électrique utilisable, et donc conduit à une économie considérable d'énergie pour l'ensemble du sys- tème. Cependant, pour maintenir un rendement élevé dans la séparation de la phase liquide, il n'y aura typiquement pas de travail prélevé sur le séparateur. La conduite 26 se raccorde à la conduite 12 en relation d'écoule- ment by-pass parallèle par rapport au séparateur 14. Dans la conduite 26, est interposée une valve de Joule-Thomson 28. La sortie de la valve de Joule-Thomson alimente un dispositif de flash à basse pression clas- sique 30, de façon typique un grand réservoir, présentant des orifices de vapeur et de liquide débouchant respectivement dans les conduites 20 et 32. La sortie de liquide est raccordée à une pompe 24 destinée à pomper le gaz naturel liquéfié vers l'installation de stockage 27 par la conduite 22. Pendant le fonctionnement normal du séparateur 14, la valve de Joule-Thomson 28 est fermée et la totalité du débit de gaz naturel provenant de l'installation de fabrication s'écoule à travers le sépara- teur rotatif diphasique 14. Si, pour une raison quelconque, le sépara- teur rotatif 14 est mis hors service, la valve 31 est fermée et la valve 28 de Joule-Thomson est ouverte. Du gaz naturel liquide se détend dans la valve 28 et pénètre dans le dispositif de flash 30 o il se sépare en phases liquide et gazeuse. Le tableau I montre le fonctionnement du dispositif 10 employant le séparateur rotatif diphasique 14 pour un écoulement typique de gaz naturel liquéfié provenant d'une installation de fabrication de gaz naturel liquéfié. TABLEAU I Composant du gaz Courant d'alimen- Vapeur - Liquide- naturel liquide tation (conduite (conduite 18) (conduite 16) 12) en moles en moles - en moles Azote...........0,43 0,31- 0,12 Méthane......... 88, 75 8,98 79,77 Ethane.......6,72 6,72 Propane......... 3,11 3,11 Isobutane. .... 0,46 0,46 Butane normal... 0,47 0,47 Isopentane...... 0,04 0,04 Pentane normal.. 0,02 0,02..DTD: 15.......... - Total........... 100,00 9,29 90,71 Le courant d'alimentation amené dans la conduite 12 en provenance de l'échangeur principal de l'installation de fabrication de gaz naturel liquéfié (GNL) est séparé en vapeur que l'on enlève par la conduite 12 et en gaz naturel liquéfié que l'on emmène au stockage par la conduite 22. Comme indiqué, à partir de 100 moles initialement introduites, on obtient 90,71 moles de gaz naturel liquéfié qui passent au stockage de gaz naturel liquéfié tandis que 9,29 moles sont présentes sous forme de vapeur. Le tableau II illustre la production de gaz naturel avec expansion JouleThomson. Avec utilisation de la détente Joule-Thomson, la vapeur provenant du dispositif de flash 30 à basse pression est constituée de 9, 76 moles, et le gaz naturel liquéfié amené au stockage par la conduite 22- est constitué de 90,24 moles pour chaque 100-moles de gaz naturel liquide provenant de l'installation de fabrication. L'utilisation du séparateur rotatif diphasique 14 au lieu de la détente Joule-Thomson donne 90,71/90,24 = 1,005 fois plus de production de gaz naturel liquéfié. La production de vapeur avec utilisation du séparateur rotatif diphasique est de (9,76 - 9,29)19,76 x 100% = 4,816% plus faible que celle obtenue avec la valve de Joule-Thomson. z TABLEAU Il Composant du gaz Courant d'alimen- t Vapeur Liquide naturel liquide tation (conduite (conduite 20) (conduite 22) 5. 12) en moles en moles en moles Azote........... 0,43 0,32 0,11 Méthane......... 88,75 9,44 79,31 Ethane.......... 6,72 6,72 Propane......... 3,11 3,11 Isobutane....... 0, 46 0,46 Butane normal... 0,47 0,47 Isopentane...... 0,04 0,04 Pentane normal.. 0,02 0,02 15. .............. Total....... 100,00 9,76 90,24 Vu d'une autre façon, pour une alimentation à partir de l'échan- geur principal de 12,2 kg/s à 3 869 kPa (535 psia) et -1430C (-225 F), le séparateur rotatif diphasique, sans extraction de travail, donne un courant de vapeur de 1 kg/s à 124 kPa (18 psia) à -158 C (-252 F) et un courant liquide de 11,2 kg/s à 1 862 kPa (270 psia) et -158 C (-251,7 F}. Au contraire, la disposition avec une valve de Joule-Thomson employant un dispositif de flash 30 et une pompe 24 pour le courant de liquide produit un courant de liquide de 10,948 kg/s et une sortie de vapeur de 1,252 kg/s, la température de la vapeur et sa pression étant de -158 C (-251, 9 F) et 124 kPa (18 psia) respectivement, et la température et la pression du liquide étant respectivement de -158 C (-251,6 F) et 758 kPa (100 psia). TABLEAU III Courant vapeur Courant liquide Séparateur rota- tif diphasique 1 kg/s 124 kPa -158 C 11,2 kg/s 1862 kPa -158 C Valve de Joule- 1,252 10,948 Thomson kg/s 124 kPa -158 C kg/s 758 kPa -158 C En utilisant un séparateur rotatif diphasique I4 au lieu de la valve de Joule-Thomson 28, un dispositif de flash 30 et une pompe à liquide 24, on obtient un rendement plus élevé en gaz naturel avec une réduction concomitante de la vapeur, une énergie utilisable étant disponible par l'intermédiaire de travail éventuellement récupérable au moyen du séparateur rotatif diphasique. En outre, on peut réduire les coûts en investissements et.en entretiens associés à un dispositif de flash 30 et une pompe 24, ce qui rend ainsi plus économique le fonction- nement de la totalité du système de production de gaz naturel liquéfié. L'utilisation du dispositif de flash avec valve de Joule-Thomson et d'une pompe en relation de by-pass d'écoulement par rapport au séparateur rotatif diphasique assure que, pendant les périodes o le séparateur rotatif est non opérationnel, par exemple pendant les répara- tions ou les remplacements', le dispositif peut continuer à fonctionner avec un rendement réduit et produire du gaz naturel liquéfié. Il est également possible d'utiliser un dispositif de détente à turbine en relation de by-pass avec le séparateur rotatif diphasique 14. 2588646 REVENDICATIONS 1.- Dispositif de production de gaz liquéfié avec production réduite de vapeur de gaz dans une installation de fabrication de gaz liquéfié, comprenant: - une première conduite (12) d'écoulement qui reçoit un courant de gaz liquéfié provenant d'une installation de fabrication de gaz *. liquéfié; * - un séparateur rotatif diphasique (14) comportant une entrée raccordée à la première conduite d'écoulement, une sortie de vapeur (18) et une sortie de liquide (16); - des moyens (18) de raccordement de la sortie de liquide du séparateur rotatif diphasique avec des moyens de stockage de gaz liquéfié; et - des moyens pour convoyer la vapeur de gaz sortant de la sortie de vapeur. 2.- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le gaz est un gaz naturel. 3.- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le séparateur rotatif diphasique (14) comprend des moyens pour extraire du travail du courant de gaz liquéfié. 4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre une valve (28) de Joule-Thomson pour détendre de façon sélective le courant de liquide, cette valve étant raccordée en parallèle au séparateur rotatif diphasique (14). 5.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre un système de détente à turbine pour détendre ce courant de liquide, ce système étant raccordé en parallèle au séparateur rotatif diphasique (14). 6.- Procédé de production de gaz liquéfié avec une production réduite de vapeur de gaz dans une installation de fabrication de gaz liquéfié comprenant les étapes suivantes: on introduit un courant de gaz liquéfié provenant d'une installation de fabrication de gaz liquéfié dans un séparateur rotatif diphasique et on y sépare ce courant en phases liquide et vapeur puis introduit les phases liquide et vapeur dans des sorties de liquide et de vapeur; et fait passer la phase liquide à une installation de stockage sans autre mise en pression de cette phase liquide. 7.- Procédé selon la revendication 6, dans lequel le gaz est un gaz naturel.