Brevet FR2885679A1 — publié le 20061117

La présente invention est relative à un procédé de séparation de gaz naturel liquéfié et à une installation de séparation de gaz naturel liquéfié. Les procédés connus de liquéfaction de gaz naturel comportent généralement, et particulièrement lorsque le gaz d'alimentation contient une teneur en azote supérieure à 1 % mol. (teneur usuelle du produit avant chargement sur méthaniers), une unité de séparation de l'azote afin de réduire la proportion de ce constituant dans le gaz naturel liquéfié. Un procédé connu comprend une succession de détentes libres de gaz liquéfié, produisant ainsi une vapeur enrichie en constituants légers (par exemple azote et hélium). La fraction restant liquide voit donc sa teneur en constituants légers diminuer. A la place de ce procédé ou en addition à ce procédé, le gaz naturel liquéfié peut être séparé dans une colonne de distillation opérant à une pression proche de la pression atmosphérique, et équipée d'un dispositif de chauffage en cuve. La charge est généralement introduite sous forme liquide en tête de colonne, et une partie de cette charge est vaporisée par le dispositif de chauffage en cuve. La vapeur ainsi générée permet l'échange de matière au contact de plateaux de distillation, de garnissages structurés ou non, ou tout autre moyen de distillation connu et compatible avec les températures cryogéniques auxquelles s'effectuent ces transferts de masse. La vapeur montante s'enrichit donc en azote, et en tout constituant plus léger que le méthane. Le liquide produit en cuve de colonne est donc appauvri en azote ce qui permet d'atteindre la teneur requise (typiquement Dans ces deux procédés connus, les vapeurs générées par détentes successives ou obtenues en tête de colonnes, bien qu'enrichies en azote contiennent néanmoins une teneur résiduelle en méthane importante: en effet, comme aucun fluide plus froid que ces vapeurs n'est disponible, on ne peut alors introduire un système de re-condensation qui permettrait d'améliorer la pureté en azote des vapeurs montantes, et donc d'augmenter la production de gaz naturel liquéfié à la spécification requise. Ceci implique donc une perte en produit liquéfié ainsi que l'impossibilité de valoriser en tant que produit pur les vapeurs générées, car trop riches en méthane. Ces vapeurs sont donc communément utilisées comme gaz combustible. Par ailleurs, le gaz naturel liquéfié est ensuite envoyé vers des stockages, générant eux même des vapeurs, en particulier à cause: - des entrées thermiques liées à l'isolation non parfaite des stockages, aux entrées de chaleurs liées au pompage du gaz liquéfié de l'installation de production vers les stockages. - éventuellement à la production de gaz résultant de la différence de pression entre l'installation de production et les stockages (dit flash) Ces vapeurs, appelées boil-off , occasionnent également une perte additionnelle de GNL. La solution proposée consiste en l'amélioration de la séparation en azote par utilisation d'au moins une colonne contenant un dispositif de recondensation des vapeurs de tête par échange de chaleur avec un fluide plus léger que le méthane, et donc de préférence un fluide enrichi en azote. Les boil-off des stockages peuvent également être traités et recondensés afin de minimiser, voire annuler la perte de molécules de GNL. A cette fin, et afin d'éviter la solidification du méthane ou des autres hydrocarbures, il pourra être pertinent d'opérer la colonne de séparation à une pression supérieure. Le dispositif de chauffage en cuve pourra être le même fluide, utilisé sous une pression plus élevée que dans le dispositif de re-condensation des vapeurs. L'utilisation de ce fluide éventuellement sous forme liquide dans le dispositif de re-condensation des vapeurs, impose l'utilisation d'un cycle de production de puissance frigorifique, préférablement utilisant un gaz de cycle enrichi en azote, à proximité du train de GNL. Ce liquéfacteur, en tant que source de fluides froids peut permettre avantageusement: É De purifier la production de tête de la colonne de déazotation du train de GNL. C'est ainsi qu'il devient envisageable de produire une large partie de l'azote compris dans le gaz naturel sous une forme purifiée (liquide ou gazeuse). De même, il devient envisageable de produire l'hélium éventuellement contenu dans le gaz naturel à une pureté suffisante pour qu'il puisse être directement traité par un PSA. É De re-condenser les boil-off des stockages de gaz naturel liquéfié, ou tout autre vapeur enrichie en méthane, par exemple générée lors du chargement sur les méthaniers. É D'augmenter la production de gaz naturel liquéfié puisque des molécules de méthane, précédemment perdues avec les vapeurs enrichies en azote peuvent être récupérées en tant que GNL. É Encore plus avantageusement, ce liquéfacteur peut également liquéfier directement du gaz naturel préalablement traité pour éviter tout problème de bouchage par solidification de composants lourds, puisqu'il génère de la puissance frigorifique à des températures inférieures ou égales à celle de liquéfaction normale du gaz naturel. Cette production supplémentaire n' est donc pas générée par le train principal de liquéfaction de gaz naturel. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation de gaz naturel liquéfié dans un train principal de liquéfaction, ayant une teneur en azote supérieure à 1 % mol. comprenant au moins une étape de séparation d'azote dans lequel on envoie du gaz naturel liquéfié sous forme liquide ou pseudo liquide dans une unité de séparation, on produit dans l'unité de séparation un débit de gaz naturel liquéfié épuré en azote et de la vapeur enrichie en azote, et on re-condense partiellement la vapeur enrichie en azote, caractérisé en ce que l'on recondense la vapeur enrichie en azote au moyen d'un fluide frigorigène dont la teneur en azote est supérieure à 80 % mol., le fluide frigorigène ayant un point normal d'ébullition inférieur à celui du méthane, et étant généré par un cycle de production frigorifique différent de celui du train principal de liquéfaction de gaz naturel. Du gaz naturel liquéfié sous une pression supercritique se trouve sous forme pseudo liquide . Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention: - l'unité de séparation comprend au moins une colonne de distillation. 30 - on chauffe la cuve d'au moins une des colonnes au moyen du fluide frigorigène. - on liquéfie un débit de gaz naturel par échange de chaleur avec le fluide frigorigène - on envoie le gaz naturel liquéfié épuré en azote à un stockage où il se vaporise partiellement pour former un vaporisat et on recondense le vaporisat au moyen du fluide frigorigène. - le gaz naturel liquéfié contient de l'hélium et l'unité de séparation produit un débit enrichi en hélium à partir du gaz naturel liquéfié. - le fluide d'alimentation de l'unité de séparation est une vapeur contenant principalement du méthane, cette vapeur étant issue d'un train de liquéfaction de gaz naturel existant, dans le but d'en augmenter sa production. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation de gaz naturel liquéfié intégré à un train principal de liquéfaction, ayant une teneur en azote supérieure à 1 % mol. comprenant au moins une unité de séparation d'azote, des moyens pour envoyer du gaz naturel liquéfié sous forme liquide dans l'unité de séparation, des moyens pour enlever de l'unité de séparation un débit de gaz naturel liquéfié épuré en azote et de la vapeur enrichie en azote, des moyens pour recondenser la vapeur enrichie en azote, caractérisé en ce les moyens pour recondenser la vapeur enrichie en azote sont un échangeur de chaleur, un cycle de fluide frigorigène dont la teneur en azote est supérieure à 80 % mol., le fluide frigorigène ayant un point normal d'ébullition inférieur à celui du méthane, le cycle de production frigorifique étant différent de celui du train principal de liquéfaction de gaz naturel et des moyens pour envoyer le fluide frigorigène à l'échangeur. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention: - l'unité de séparation comprend au moins deux colonnes de distillation. - on chauffe la cuve d'au moins une des colonnes au moyen du fluide frigorigène. - l'appareil comprend des moyens pour envoyer le gaz naturel liquéfié épuré en azote à un stockage où il se vaporise partiellement pour former un vaporisat et des moyens pour recondenser le vaporisat au moyen du fluide frigorigène. - l'appareil comprend des moyens pour envoyer au moins une partie du vaporisat à une des colonnes de distillation. l'appareil comprend des moyens pour liquéfier un débit supplémentaire de gaz 5 naturel par échange de chaleur avec le fluide frigorigène. - le gaz naturel liquéfié contient de l'hélium et l'unité de séparation produit un débit enrichi en hélium à partir du gaz naturel liquéfié. - le vaporisat se refroidit et/ou le débit supplémentaire se liquéfie dans l'échangeur. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui représente schématiquement une installation selon l'invention. Pour simplifier la figure, le condenseur de tête 25 de la colonne 23 est illustrée à la fois en tête de la colonne 23 et en faisant partie d'un circuit de refroidissement. Il sera compris que ces deux éléments 25 correspondent à un unique condenseur. Il en est de même pour le rebouilleur de cuve 27 de la colonne 23. Dans la Figure 1 un débit de gaz naturel 3 est envoyé à un liquéfacteur 5 pour former un débit de gaz naturel liquéfié 7 contenant de l'azote. Ce débit 7 est détendu dans une turbine 9 pour former un débit détendu 11 et envoyé au rebouilleur 13 d'une colonne de distillation 17. Le débit 11 se refroidit en chauffant la cuve de la colonne 17 à travers le rebouilleur 13. Le débit 11 est ensuite détendu dans une vanne 15 et envoyé à la colonne 17. Un liquide appauvri en azote 29 s'accumule en cuve de la colonne 17 et est soutiré, pressurisé dans la pompe 31 pour former le débit 35, détendu dans une vanne et envoyé au stockage 39 pour être stocké à environ 1.05 1.1 bar absolu. Le flux gazeux 19 produit en tête de colonne 17 est comprimé dans un compresseur 21 et envoyé à la colonne 23. En cuve de colonne 23 un débit 41 est soutiré, pompé par la pompe 45 après sous-refroidissement dans l'échangeur 49 et mélangé avec le débit 35 pour être envoyé au stockage comme le débit 38 après détente dans la vanne 37. L'azote gazeux 43 produit en tête de la colonne 23 est réchauffé dans l'échangeur 47, envoyé au sous-refroidisseur 49 et envoyé à un point intermédiaire de l'échangeur 47 pour y être réchauffé. La colonne 17 opère à environ 1,25 bar et la colonne 23 opère à environ 4 bar. Les frigories pour le condenseur 25 et les calories pour le rebouilleur 27 sont fournies par un cycle d'azote indépendant du liquéfacteur 5. L'azote comprimé dans un compresseur 51 est divisé en deux. Une partie 57 de l'azote est refroidi dans l'échangeur 47 jusqu'à un niveau intermédiaire puis envoyé à une turbine de détente 81 pour produire un débit détendu 83. Le reste de l'azote est surpressé dans au moins un surpresseur 53, 55 pour former un débit haute pression 59. Ce débit est partiellement refroidi dans l'échangeur 47 avant de servir à rebouillir la colonne 23 par le rebouilleur 27. Le gaz ainsi refroidi est divisé en deux pour former deux fractions. Une fraction 61 est détendu dans une turbine 63 et envoyé à un pot séparateur. Le liquide 69 produit dans le pot séparateur 65 est détendu dans une vanne 71 et le gaz 67 est réchauffé dans l'échangeur 47 et envoyé au compresseur 51, après être mélange au débit 83 provenant de la turbine 81. La fraction 62 poursuit son refroidissement dans l'échangeur 47, est détendu dans une vanne 73 et mélangé avec le débit 69. Le débit formé par les débits 62, 69 est divisé en deux pour former les débits 77, 79. Le débit 77 est remélangé au débit 43.. Le débit 79 sert à refroidir le condenseur de tête 25 de la colonne 23 et le débit ainsi chauffé 79 est réchauffé dans l'échangeur 47 avant d'être renvoyé au compresseur 51. Optionnellement le vaporisat 88 du stockage 39 peut être comprimé dans un compresseur 86 et envoyé à un niveau intermédiaire de l'échangeur 47 pour y être refroidi jusqu'à un niveau intermédiaire. Le gaz refroidi est ensuite envoyé à la colonne 23 pour être reliquéfié et renvoyé au stockage. De la même façon, toute autre vapeur enrichie en méthane et susceptible d'être re-condensée par le condenseur 25 pourra également être traitée. L'échangeur 47 peut également servir à liquéfier une fraction 85 du débit total 1 de gaz naturel, le gaz liquéfié 85 étant détendu dans une vanne 87 et envoyé ensuite aux colonnes, éventuellement en amont de la turbine 9, pour séparation d'azote. Ainsi il devient possible de dégoulotter un liquéfacteur 5 qui a atteint sa limite de production. La séparation finale azote/gaz naturel étant améliorée, voire totale, la production d'une même unité de liquéfaction de gaz naturel sera notablement augmentée, et d'autant plus que le gaz d'alimentation sera riche en azote. II devient possible de valoriser l'azote contenu dans le gaz naturel, soit sous forme liquide, soit sous forme gazeuse, à une pureté commerciale. Il devient possible de produire une mixture suffisamment riche en hélium pour être directement purifiée dans un PSA. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation de gaz naturel liquéfié dans un train principal de liquéfaction, ayant une teneur en azote supérieure à 1 % mol. comprenant au moins une étape de séparation d'azote dans lequel on envoie du gaz naturel liquéfié sous forme liquide ou pseudo liquide dans une unité de séparation, on produit dans l'unité de séparation un débit de gaz naturel liquéfié épuré en azote (41) et de la vapeur enrichie en azote (43), et on re-condense partiellement la vapeur enrichie en azote, caractérisé en ce que l'on re- condense la vapeur enrichie en azote au moyen d'un fluide frigorigène (79) dont la teneur en azote est supérieure à 80 % mol., le fluide frigorigène ayant un point normal d'ébullition inférieur à celui du méthane, et étant généré par un cycle de production frigorifique différent de celui du train principal de liquéfaction de gaz naturel. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'unité de séparation comprend au moins une colonne de distillation (17,23). 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel on chauffe la cuve d'au moins une des colonnes au moyen du fluide frigorigène. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on liquéfie un débit de gaz naturel (85,88) par échange de chaleur avec le fluide frigorigène. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel on envoie le gaz naturel liquéfié épuré en azote (41) à un stockage (39) où il se vaporise partiellement pour former un vaporisat (88) et on recondense le vaporisat au moyen du fluide frigorigène. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gaz naturel liquéfié contient de l'hélium et l'unité de séparation produit un débit enrichi en hélium à partir du gaz naturel liquéfié. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le fluide d'alimentation de(7) l'unité de séparation est une vapeur contenant principalement du méthane, cette vapeur étant issue d'un train de liquéfaction de gaz naturel existant (5), dans le but d'en augmenter sa production. 8. Appareil de séparation de gaz naturel liquéfié intégré à un train principal de liquéfaction, ayant une teneur en azote supérieure à 1 % mol. comprenant au moins une unité de séparation d'azote, des moyens pour envoyer du gaz naturel liquéfié sous forme liquide dans l'unité de séparation, des moyens pour enlever de l'unité de séparation un débit de gaz naturel liquéfié épuré en azote et de la vapeur enrichie en azote, des moyens pour re-condenser la vapeur enrichie en azote, caractérisé en ce les moyens pour re-condenser la vapeur enrichie en azote sont un échangeur de chaleur (47), un cycle de fluide frigorigène dont la teneur en azote est supérieure à 80 % mol., le fluide frigorigène ayant un point normal d'ébullition inférieur à celui du méthane, le cycle de production frigorifique étant différent de celui du train principal de liquéfaction de gaz naturel et des moyens pour envoyer le fluide frigorigène à l'échangeur. 9. Appareil selon la revendication 8 dans lequel l'unité de séparation comprend au moins deux colonnes de distillation (17,23) 10. Appareil selon la revendication 9 dans lequel on chauffe la cuve d'au moins une des colonnes (23) au moyen du fluide frigorigène. 11. Appareil selon l'une des revendications 8 à 10 comprenant des moyens pour envoyer le gaz naturel liquéfié épuré en azote à un stockage (39) où il se vaporise partiellement pour former un vaporisat (88) et des moyens pour recondenser le vaporisat au moyen du fluide frigorigène. 12. Appareil selon les revendications 9 et 11 comprenant des moyens pour envoyer au moins une partie du vaporisat (88) à une des colonnes de distillation (23). 13. Appareil selon l'une des revendications 8 à 12 comprenant des moyens pour liquéfier un débit supplémentaire (85) de gaz naturel par échange de chaleur avec le fluide frigorigène. 14. Appareil selon l'une des revendications 8 à 13 dans lequel le gaz naturel liquéfié contient de l'hélium et l'unité de séparation produit un débit enrichi en hélium à partir du gaz naturel liquéfié. 15. Appareil selon l'une des revendications 11 et/ou 13 dans lequel le vaporisat se 10 refroidit et/ou le débit supplémentaire se liquéfie dans l'échangeur (47)