Brevet FR2668583A1 — publié le 19920430

Procédé de liquéfaction d'un gaz et installation de réfrigération La présente invention concerne un procédé de liquéfaction d'un fluide gazeux à bas point d'ébullition comprenant les étapes de pré-refroidir le fluide gazeux, de le refroidir à une température proche de son point de liquéfaction, puis de le détendre avant de le recueillir sous forme au moins partiellement liquide. Un procédé de ce type est décrit dans le document US-A-4 048 814 Dans les procédés classiques de ce type, l'étape de détente finale est effectuée au moyen d'une vanne o s'effectue une détente isenthalpique Bien que l'énergie disponible dans le fluide à très basse température soit très faible, il est intéressant de l'extraire car elle est disponible à une température très proche de celle de la liquéfaction du gaz. La présente invention a pour objet un procédé présentant une efficacité accrue et permettant notamment de réduire considérable- ment, voire de supprimer, la phase gazeuse en sortie de la détente finale. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, la détente est effectuée de façon à obtenir du liquide sous-refroidi. Selon une caractéristique plus particulière de l'invention, la détente est effectuée sur le fluide à l'état super-critique. Avec ce procédé, les propriétés du fluide au niveau du moyen de détente varient de façon sensiblement continue sans les problèmes de discontinuité entre phase gazeuse et phase liquide habituellement rencontrés à ces températures La chute enthalpique supportée par la turbine étant faible, sa vitesse de rotation peut être basse et la turbine peut donc fonctionner avec une grande marge de sécurité Lors de régimes transitoires, les propriétés du fluide à l'entrée de la turbine ne subissent pas de variations importantes, et les conditions de fonctionnement de la turbine ne sont donc pas affectées. Selon une autre caractéristique de l'invention, le refroidissement est effectué par au moins deux échangeurs de chaleur successifs, au moins une détente étant avantageusement effectuée entre les deux échanges de chaleur. La présente invention a pour autre objet de proposer une installation de réfrigération, du type comprenant un circuit de fluide a t à bas point d'ébullition comportant un étage de pré-refroidissement, un étage de refroidissement et une capacité de gaz liquéfié, l'étage de refroidissement comprenant au moins un échangeur de chaleur et un moyen de détente final, caractérisé en ce que le moyen de détente final est dynamique et fournit à l'échappement du liquide sous- refroidi. Le procédé selon l'invention convient tout particulièrement pour la mise en oeuvre d'installations de réfrigération de forte puissance, auquel cas le moyen de détente final est avantageusement une turbine Pour des installations de moindre puissance, la turbine peut être remplacée par un détendeur alternatif et, plus particulièrement, par un piston d'un détendeur alternatif à deux pistons dont l'autre piston est interposé entre deux échangeurs de chaleur aval de l'étage de refroidissement. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation d'une installation de réfrigération selon l'invention; et la figure 2 est une vue schématique, analogue à la précédente, d'une variante de réalisation de l'invention. Dans la description qui va suivre et sur les dessins, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes chiffres de références. On reconnaît sur la figure 1 un cycle de réfrigération hélium convenant pour le refroidissement des cavités supra- conductrices et comprenant un compresseur de cycle 1, une ligne d'alimentation a, une capacité de gaz liquéfié 2 et une ligne de retour b L'installation comprend un étage de pré-refroidissement 3 comprenant une pluralité d'échangeurs de chaleur à contre-courant disposés en série, tels que 4, éventuellement associés à des turbines en série ou en parallèle, telles que 5 L'étage de pré-refroidissement 3 est suivi d'un étage de refroidissement comprenant, dans l'exemple représenté sur la figure 1, trois échangeurs à contre-courant 6, 7 et 8 successifs traversés par les lignes a et b L'étape de détente finale est assurée ici par une turbine 9 dont l'entrée est alimentée en hélium super-critique à une pression de l'ordre de 3 à 4 x 105 Pa et une température d'environ 4,5 K En sortie de la turbine 9, on obtient de l'hélium majoritairement liquide et sous-refroidi à une pression d'environ 1,3 x 105 Pa et une température de l'ordre de 4,4 K. Pour garantir les conditions requises à l'entrée de la turbine 9, selon un aspect de l'invention, le gaz refroidi dans les échangeurs 6 et 7 est soumis à une détente fractionnée au moyen d'une première turbine 10 intercalée entre les deux échangeurs amont 6 et 7, et d'une deuxième turbine 11 intercalée entre les deux échangeurs de chaleur aval 7 et 8 Cet agencement permet d'accroître grandement l'efficacité des échangeurs de chaleur 7 et 8 car, le taux de détente du gaz étant fractionné, l'écart de température dans chaque turbine est réduit et, en conséquence, l'écart au bout froid de l'échangeur adjacent est également réduit La température de coupure du bout froid étant remontée, cela permet de réduire le débit de fluide transitant dans l'étage de pré-refroidissement L'efficacité de la liquéfaction dans la turbine de détente 9 permet de plus de réduire le débit de fluide circulant dans le bout froid La réduction de ces deux débits permet d'améliorer notablement l'efficacité globale du cycle A titre de valeur indicative, la température du gaz dans la conduite a à la sortie de l'étage de pré refroidissement 3 est de l'ordre de 20 K et à une pression entre 15 et 18 x 105 Pa, les deux turbines 10 et Il ramenant cette pression à l'entrée de l'échangeur aval 8 à environ 4 x 105 Pa Comme vu plus haut, dans la capacité 2, l'hélium liquide est disponible à une pression de l'ordre de 1,2 à 1,3 x 105 Pa et à une température de 4, 4 K. Dans le mode de réalisation de la figure 2, convenant plus particulièrement à des installations de puissance moyenne, la turbine 9 est remplacée par un des ensembles cylindre-piston il' d'un détendeur alternatif à deux pistons 12 dont l'autre piston, couplé mécaniquement en opposition de phase au piston il', est interposé entre les deux échangeurs 7 et 8, en place et lieu de la turbine aval 11 du mode de réalisation précédent. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et est susceptible de modifications et de variantes remplissant le même objet En particulier, la turbine aval 11 peut être placée dans une boucle de dérivation de la ligne a, by-passant l'échangeur aval 8 et incluant l'échangeur 7. REVENDICATIONS 1 Procédé de liquéfaction d'un fluide gazeux à bas point d'ébullition comprenant les étapes de pré-refroidir le fluide gazeux, de le refroidir à une température proche de son point de liquéfaction, puis de le détendre avant de le recueillir sous forme au moins partiellement liquide, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape d'effectuer la détente de façon à obtenir du liquide sous-refroidi. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape d'effectuer la détente sur le fluide à l'état super- critique. 3 Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le refroidissement est effectué par au moins deux échanges de chaleur successifs. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le refroidissement est effectué en outre par au moins une détente entre les deux échanges de chaleur. Installation de réfrigération comprenant un circuit (a, b) de fluide à bas point d'ébullition comportant un étage de pré- refroidissement ( 3), un étage de refroidissement et une capacité de gaz liquéfié ( 2) échangeur de ch; caractérisée en ( fournit à l'échal 6 Insi que le moyen de c 7 Insi que le moyen de c 8 Insi caractérisée en c deux échangeurs l'étage de refrc idi ssement comportant au moins un ileur ( 8) et un moyen de détente final ( 9, 9 '), :e que le moyen de détente final ( 9) est dynamique et ppement du liquide sous-refroidi. Lallation selon la revendication 5, caractérisée en ce détente finale est une turbine ( 9). :allation selon la revendication 5, caractérisée en ce détente finale est un détendeur alternatif ( 9 '). allation selon l'une des revendications 5 à 7, :e que l'étage de refroidissement comprend au moins en série ( 6, 7, 8) et au moins un dispositif de détente ( 11; Il') entre deux échangeurs successifs. 9 Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que le dispositif de détente est une turbine ( 10, 11). Installation selon la revendication 7 et la revendication 8, caractérisée en ce que le dispositif de détente ( 11 ') et le moyen de détente finale ( 9 ') sont constitués chacun par un piston d'un détendeur alternatif à deux pistons ( 12).