Brevet FR2829569A1 — publié le 20030314

La présente invention concerne, de façon générale et selon un premier de ses aspects, l'industrie gazière, et en particulier un procédé de liquéfaction de gaz naturel. Plus précisément, l'invention concerne un procédé de liquéfaction d'un gaz naturel, sous pression, contenant du méthane et des hydrocarbures en C2 et supérieurs, ledit procédé comprenant : (a) une première étape I, dans laquelle le gaz naturel est soumis à un premier cycle réfrigérant pour l'obtention d'un gaz naturel refroidi, et est porté à une température inférieure à moins 200C par un premier réfrigérant, ledit premier cycle réfrigérant comprenant une succession de sous-étapes (i) à (v) dans lesquelles le premier réfrigérant est (i) sous-refroidi, (ii) détendu, (iii) vaporisé, (iv) compressé, et (v) au moins partiellement condensé par refroidissement avec un premier fluide réfrigérant externe, (b) une deuxième étape II, dans laquelle le gaz naturel refroidi est soumis à un deuxième cycle réfrigérant dans lequel le gaz naturel refroidi est refroidi et condensé par un deuxième réfrigérant comprenant du méthane, de l'éthane, du propane, et de l'azote, ledit deuxième cycle réfrigérant comprenant une succession de sous-étapes (i) à (vi) dans lesquelles le deuxième réfrigérant est (i) sous-refroidi, (ii) détendu, (iii) vaporisé, (iv) compressé, (v) refroidi avec un deuxième fluide réfrigérant externe, et (vi) au moins partiellement condensé par refroidissement avec ledit premier réfrigérant. Un tel procédé est connu de l'art antérieur. Ainsi, le brevet US-6105389 divulgue un procédé conforme au préambule décrit ci-dessus. Un tel procédé présente des inconvénients notamment lorsque la pression d'admission du gaz naturel dans l'installation chute. En effet, dans ce cas, la température de liquéfaction du gaz naturel peut être abaissée de façon significative. Ainsi, lors d'une utilisation habituelle d'une installation conforme au procédé de l'art antérieur, la pression d'admission du gaz naturel est voisine de 45 bars. Pour diverses raisons, par exemple de maintenance, la pression d'admission du gaz naturel peut chuter à une pression d'environ 30 bars. Dans ce cas, le profil de la courbe de condensation du gaz naturel est modifié et cela se traduit par une température de condensation relativement plus froide. Dans la pratique, on observera des variations relatives du niveau de condensation du gaz naturel dans différentes parties du ou des échangeurs cryogéniques par rapport à la situation dans laquelle le gaz naturel était à une pression de 45 bars. En corollaire, la puissance nécessaire pour liquéfier le gaz naturel augmente. De même, la pression des fluides réfrigérants peut augmenter de façon significative en sortie de compresseur, augmentant dès lors la pression de calcul du compresseur et des équipements situés en avant. Dans ces conditions, l'invention vise à pallier les inconvénients liés à une diminution de la pression d'admission du gaz naturel dans l'installation par (i) une limitation de l'accroissement de la puissance en compression nécessaire, (ii) une amélioration des échanges de chaleur au sein des échangeurs cryogéniques sans modification de leur structure ou de leur surface, (iii) le maintien d'une pression de compression sensiblement constante en sortie de compresseur. A cet effet, le procédé de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le deuxième réfrigérant contient en outre de l'éthylène. Selon une première variante du procédé de liquéfaction de l'invention, le deuxième réfrigérant est séparé en une première fraction relativement plus volatile, et en une deuxième fraction, relativement moins volatile, ladite deuxième fraction étant ensuite traitée conformément aux sous-étapes (i) et (ii) de l'étape II, pour l'obtention d'une deuxième fraction refroidie et détendue, puis est traitée conformément à la sous-étape (iii) de l'étape II ; ladite première fraction étant refroidie, sous-refroidie, détendue, vaporisée, puis mélangée à la deuxième fraction refroidie et détendue. De façon préférée, le procédé de liquéfaction de gaz naturel selon l'invention utilise un gaz naturel à une pression inférieure à 40 bars. De façon préférée, le procédé de liquéfaction de gaz naturel selon la première variante de l'invention utilise un gaz naturel à une pression inférieure à 45 bars. Au moins un des premier et deuxième fluides réfrigérants externes peut être un fluide disponible à température ambiante. Au moins une première turbine de détente, de préférence couplée à un générateur, peut être utilisée pour le traitement du deuxième réfrigérant refroidi, à la sous-étape (ii) de l'étape II. Avantageusement, le premier réfrigérant peut être constitué d'un contenant principalement de l'éthane et du propane. De préférence, le premier réfrigérant peut être constitué principalement d'un hydrocarbure à trois atomes de carbone, propane ou propylène. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description qui va suivre en se référant aux dessins schématiques annexés, donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif et dans lesquels : La figure 1 représente un schéma synoptique fonctionnel d'une installation conforme à un mode de réalisation possible de l'invention ; et La figure 2 représente un schéma synoptique fonctionnel d'une installation conforme à un autre mode de réalisation possible de l'invention. Sur ces deux figures, on peut notamment lire les symboles GT qui signifie turbine à gaz et GE qui signifie générateur électrique. Par souci de clarté et de concision, les conduites utilisées dans les installations des figures 1 et 2 seront reprises par les mêmes signes de référence que les fractions gazeuses et/ou liquides qui y circulent. En se rapportant à la figure 1, l'installation représentée est destinée à liquéfier un gaz naturel 1, sous pression, contenant du méthane et des hydrocarbures en C2 et supérieurs. Dans une première étape I, le gaz naturel 1 est soumis à un premier cycle réfrigérant pour l'obtention d'un gaz naturel refroidi 4, et est porté à une température inférieure à moins 200C par un premier réfrigérant 201 comprenant typiquement de l'éthane, du propane et du butane. Le premier réfrigérant 201 est, dans une succession de sous-étapes (i) à (v) : (i) sous-refroidissement par passage du premier réfrigérant 201 dans un échangeur cryogénique El, pour l'obtention d'un flux 203. Le flux 203 est séparé en un flux 204, et en un flux 205. Le flux 205 est sous-refroidi dans un échangeur cryogénique E2, pour l'obtention d'un flux 206. Le flux 206 est séparé en un flux 207, et en un flux 208. Le flux 208 est sous-refroidi dans un échangeur cryogénique E3, pour l'obtention d'un flux 209. (ii) détente. Cela se traduit par le passage dans une vanne de détente V1 à V3 pour, respectivement, chacun des flux 204,207, et 209, pour l'obtention de flux détendus, respectivement 219,214, et 210. (iii) vaporisation. Les flux 219,214, et 210 sont chacun respectivement vaporisés dans les échangeurs cryogéniques El à E3 pour fournir des flux de vapeur, respectivement 220,215, et 211. Chacun de ces flux 220, 215, et 211 passe dans un ballon, respectivement V203, V202, et V201 pour fournir, respectivement les flux 221, 216, et 212. (iv) Compression. Les flux 221,216, et 212 alimentent chacun un compresseur K201 comprenant une pluralité d'étages notés K201-1 à K201-3. Les flux 212, 216, et 221 alimentent le compresseur K201 respectivement sur les étages K201-1, K201-2, K201-3 ayant une pression d'admission progressivement élevée. Le compresseur K201 fournit, à son étage à haute pression K201-3, un flux 223. (v) Le flux 223 est au moins partiellement condensé par refroidissement avec un premier fluide réfrigérant externe E201 pour fournir un flux 224, ce premier fluide réfrigérant externe pouvant être notamment de l'eau ou de l'air. Le flux 224 est complètement condensé par un troisième fluide réfrigérant externe E202, pour être stocké dans un ballon V204. Du ballon V204 est soutiré le flux 200, qui est refroidi avec un quatrième fluide réfrigérant externe E203, pour produire le premier réfrigérant 201. Dans une deuxième étape II, le gaz naturel refroidi 4 est soumis à un deuxième cycle réfrigérant dans lequel le gaz naturel refroidi 4 est refroidi et condensé par un deuxième réfrigérant 103 comprenant du méthane, de l'éthane, du propane, de l'azote, et de l'éthylène. Le deuxième cycle réfrigérant comprend une succession de sous-étapes (i) à (vi) dans lesquelles le deuxième réfrigérant 103 est : (i) sous-refroidi par passage dans un échangeur cryogénique E4 pour fournir un flux 104, (ii) détendu par passage dans une turbine de détente T101 couplée à un générateur électrique noté GE. La turbine T101 produit un flux 105 qui est ensuite détendu dans une vanne de détente D4. Cette dernière produit un flux 106. (iii) Le flux 106 est vaporisé dans l'échangeur cryogénique E4 qui fournit le flux 107. Ce dernier passe dans un ballon V10 pour donner le flux 108. (iv) Le flux 108 alimente un compresseur K101 à un étage à basse pression K101-1. Ce dernier produit un flux moyenne pression 109 qui est refroidi par échange avec un flux E101, pour donner un flux refroidi 110. Le flux 110 est alors introduit à un étage moyenne pression du compresseur K101, à l'aspiration de l'étage K101-2. Ce dernier produit un flux 111. (v) Le flux 111 est refroidi par échange avec un deuxième fluide réfrigérant externe E102 pour produire le flux 100. (vi) Enfin, le flux 100 est au moins partiellement condensé par refroidissement avec ledit premier réfrigérant 201, lors de son passage successif dans les échangeurs El à E3. En se rapportant à la figure 2, l'installation représentée est également destinée à liquéfier un gaz naturel 1, sous pression, contenant du méthane et des hydrocarbures en C2 et supérieurs. Dans une première étape I, le gaz naturel 1 est soumis à un premier cycle réfrigérant pour l'obtention d'un gaz naturel refroidi 4, et est porté à une température inférieure à moins 200C par un premier réfrigérant 201 comprenant typiquement de l'éthane, du propane et du butane. Ce cycle est identique dans son fonctionnement à celui décrit pour la figure 1. Il n'est donc pas nécessaire de le décrire à nouveau. L'installation représentée comporte également un deuxième cycle réfrigérant présentant de nombreuses similitudes avec celui décrit pour la figure 1. Les différences sont mentionnées ci-après : Le deuxième réfrigérant 103 est séparé dans un ballon V102 en une première fraction 115 relativement plus volatile, et en une deuxième fraction 119, relativement moins volatile. La deuxième fraction 119 est ensuite traitée conformément aux sous-étapes (i) et (ii) de l'étape II, comme décrit plus haut, pour l'obtention d'une deuxième fraction refroidie et détendue 122. Ainsi, cette deuxième fraction refroidie et détendue 122 est obtenue par refroidissement de la deuxième fraction 119 dans un échangeur cryogénique E4 qui fournit une fraction 120. Cette dernière est détendue dans une turbine T101 qui produit un flux 121 détendu. Ce dernier flux 121 est détendu dans une vanne D4 qui produit la deuxième fraction refroidie et détendue 122. La deuxième fraction refroidie et détendue 122 est ensuite mélangée à une fraction 118 pour donner un flux 106. Ce flux 106 est vaporisé dans l'échangeur E4 pour produire le flux 107 qui alimente un étage basse pression K101-1 d'un compresseur K101 par un ballon V101. La première fraction 115 est refroidie dans l'échangeur E4, qui fournit un flux 116. Ce dernier est sous-refroidi par passage dans un échangeur E5 qui produit un flux 104. Le flux 104 est détendu par passage dans une turbine T102 qui produit un flux 105 détendu. Le flux 105 est ensuite détendu dans une vanne D5 qui fournit un flux 117. Ce dernier est vaporisé dans l'échangeur E5 qui produit le flux 118. Le flux 118 est ensuite mélangé à la deuxième fraction refroidie et détendue 122 pour fournir le flux 106. A la différence de la figure 1, le compresseur K101 comporte trois étages de compression notés K101-1 à K101-3. Entre chaque étage de compression, le gaz comprimé est refroidi par un fluide, respectivement E101 à E103. Selon une modélisation du fonctionnement des installations présentées en figures 1 et 2, le gaz naturel 1 alimente l'installation avec un débit de 694936 kg/h. Il est composé de 0,1% d'azote, 93,8% de méthane, 4% d'éthane, 1% de propane, 0,5% d'isobutane, 0,5% de nbutane, et 0,1% d'isopentane. Sa température est de 30 C. Le premier réfrigérant 201 est composé de 0,5% de méthane, 49,5% d'éthane, 49,5% de propane, et 0,5% d'isobutane. Les deux tableaux ci-après présentent les avantages d'une incorporation d'éthylène dans le deuxième réfrigérant 103. Le tableau 1 est relatif à une installation en fonctionnement selon la figure 1, et le tableau 2 est relatif à une installation en fonctionnement selon la figure 2. Procédé à 2 réfrigérants en mélange sans séparation de phase Tableau 1 Pression du gaz naturel bars 45 40 35 30 Cas sans éthylène dans le deuxième réfrigérant Composition du Réfrigérant Azote % mol 6.00 6.00 6.00 6.00 Méthane % mol 43.50 44.50 47.40 52.00 Ethane % mol 49.50 48.50 45.60 41.00 Ethylène % mol 0.00 0.00 0.00 0.00 Propane % mol 1. 00 1.00 1. 00 1. 00 Total 100. 00 100. 00 100.00 100.00 Pression flux 108 bars 2.85 2.85 2.85 2.85 Pression flux 100 bars 47.98 48.49 50.05 52.50 Puissance du compresseur K101 kW 83005 87179 93995 103893 Puissance du compresseur K201 kW 87952 89063 91029 94027 Puissance totale kW 170957 176242 185024 197920 Cas avec éthylène dans le deuxième réfrigérant 103 Composition du Réfrigérant Azote % mol 6.00 6.00 6.00 6.00 Methane % mol 43.50 43.50 43.50 43.50 Ethane % mol 49.50 44.50 36.50 26.00 Ethylène % mol 0.00 5.00 13.00 23.50 Propane % mol 1. 00 1. 00 1.00 1.00 Total 100.00 100.00 100.00 100.00 Pression flux 108 bars 2.85 2.85 2.85 2.85 Pression flux 100 bars 47.98 47.90 47.86 47.89 Puissance du compression K101 kW 83005 86929 91453 96722 Puissance du compresseur K201 kW 87952 89564 91901 94765 Puissance totale kW 170957 176493 183354 191487 Gain réalisé grace à l'éthylène Gain de puissance avec éthylène kW 0-251 1670 6433 Gain relatif de puissance % 0. 00-0. 14 0.90 3.25 Procédé à 2 réfrigérants en mélange avec séparation de phase Tableau 2 Pression du gaz naturel bars 45 40 35 30 Cas sans éthylène dans le réfrigérant 103 Composition du Réfrigérant Azote % mol 3.00 3.00 3.00 3.00 Methane % mol 43.00 46.20 49.70 53.90 Ethane % mol 44.00 40.80 37.30 33.10 Ethylène % mol 0.00 0.00 0.00 0.00 Propane % mol 10.00 10.00 10.00 10.00 Total 100.00 100.00 100.00 100.00 Pression flux 108 bars 3.25 3.25 3.25 3.25 Pression flux 100 bars 43.22 46.96 51.13 56.22 Puissance du compresseur K101 kW 105557 114547 124746 137370 Puissance du compresseur K201 kW 61749 61682 61530 61358 Puissance totale kW 167306 176229 186276 198728 Cas avec éthylène dans le réfrigérant 103 Composition du Réfrigérant Azote % mol 3.00 3.30 3.30 3.60 Methane % mol 40.00 39.70 39.70 39.40 Ethane % mol 39.00 32.00 24.00 12.80 Ethylène % mol 8.00 15.00 23.00 34.20 Propane % mol 10.00 10.00 10.00 10.00 Total 100.00 100.00 100.00 100.00 Pression flux 108 bars 3.25 3.25 3.25 3.25 Pression flux 100 bars 41.03 42.41 43.60 45.61 Puissance du compresseur K101 kW 102596 107863 113325 120974 Puissance du compresseur K201 kW 62631 63188 63929 64624 Puissance totale kW 165227 171051 177254 185598 Gain réalisé grâce à l'éthylène Gain de puissance avec éthylène kW 2079 5178 9022 13130 Gain relatif de puissance % 1.24 2.94 4.84 6.61 Comme cela apparaît à la lecture des résultats, l'incorporation d'éthylène dans le deuxième réfrigérant, accompagnée d'une diminution de la proportion de méthane, permet une diminution significative de la puissance nécessaire pour liquéfier le gaz naturel 1. Le gain est d'autant plus important que la pression du gaz naturel 1 est basse. De plus, on observe une remarquable stabilité de la pression du flux 108 dans le cas d'une installation selon la figure 1. En ce qui concerne l'installation selon la figure 2, l'incorporation d'éthylène permet au moins de limiter l'accroissement de pression du flux 100 par rapport à un système n'utilisant pas d'éthylène. L'invention présente donc un intérêt remarquable pour la limitation des dépenses énergétiques lors de la production de gaz naturel liquéfié, en particulier lorsque la pression d'admission du gaz naturel à liquéfier est inférieure à 45 bars. Ce but est atteint tout en permettant de maintenir sensiblement constante la pression de compression du deuxième réfrigérant en sortie du compresseur K101. REVENDICATIONS 1. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel (1), sous pression, contenant du méthane et des hydrocarbures en Cz et supérieurs, ledit procédé comprenant : (a) une première étape I, dans laquelle le gaz naturel (1) est soumis à un premier cycle réfrigérant pour l'obtention d'un gaz naturel refroidi (4), et est porté à une température inférieure à moins 200C par un premier réfrigérant (201), ledit premier cycle réfrigérant comprenant une succession de sous-étapes (i) à (v) dans lesquelles le premier réfrigérant (201) est (i) sous-refroidi, (ii) détendu, (iii) vaporisé, (iv) compressé, et (v) au moins partiellement condensé par refroidissement avec un premier fluide réfrigérant externe (E201), (b) une deuxième étape II, dans laquelle le gaz naturel refroidi (4) est soumis à un deuxième cycle réfrigérant dans lequel le gaz naturel refroidi (4) est refroidi et condensé par un deuxième réfrigérant (103) comprenant du méthane, de l'éthane, du propane, et de l'azote, ledit deuxième cycle réfrigérant comprenant une succession de sous-étapes (i) à (vi) dans lesquelles le deuxième réfrigérant (103) est (i) sous-refroidi, (ii) détendu, (iii) vaporisé, (iv) compressé, (v) refroidi avec un deuxième fluide réfrigérant externe (E102), et (vi) au moins partiellement condensé par refroidissement avec ledit premier réfrigérant (201) ; ledit procédé étant caractérisé en ce que le deuxième réfrigérant (103) contient en outre de l'éthylène. 2. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième réfrigérant (103) est séparé en une première fraction (115) relativement plus volatile, et en une deuxième fraction (119), relativement moins volatile, ladite deuxième fraction (119) étant ensuite traitée conformément aux sous-étapes (i) et (ii) de l'étape II, pour l'obtention d'une deuxième fraction refroidie et détendue (122), puis est traitée conformément à la sous- étape (iii) de l'étape II, ladite première fraction (115) étant refroidie, sous-refroidie, détendue, vaporisée, puis mélangée à la deuxième fraction refroidie et détendue (122). 3. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz naturel (1) est disponible à une pression inférieure à 40 bars. 4. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le gaz naturel (1) est disponible à une pression inférieure à 45 bars. 5. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un des premier et deuxième fluides réfrigérants externes (E201), (E102) est un fluide disponible à température ambiante. 6. Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une première turbine de détente (T101) est utilisée pour le traitement du deuxième réfrigérant (103), à la sous-étape (ii) de l'étape II. 7. Procédé de liquéfaction selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier réfrigérant est constitué d'un contenant principalement de l'éthane et du propane. 8. Procédé de liquéfaction selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le premier réfrigérant est constitué principalement d'un hydrocarbure à trois atomes de carbone, propane ou propylène.