Brevet FR2923001A1 — publié le 20090501

La présente invention concerne le domaine de la liquéfaction d'un gaz naturel. Le gaz naturel est souvent produit dans des endroits éloignés de son lieu d'utilisation. Une méthode utilisée pour le transport est de liquéfier le gaz naturel aux alentours de -160°C, puis de le transporter par bateau sous forme liquide à pression atmosphérique. Avant d'être liquéfié, le gaz naturel doit subir divers traitements, d'une part pour ajuster sa composition en vue de la vente (teneur en soufre et en dioxyde de carbone, valeur calorifique), et d'autre part pour permettre sa liquéfaction. En particulier, le fractionnement du gaz naturel réalisé par distillation permet d'éliminer les hydrocarbures trop lourds qui risquent de boucher par cristallisation les conduites et les échangeurs de chaleur de l'usine de liquéfaction. De plus, le fractionnement par distillation permet de récupérer séparément des composés tels que l'éthane, le propane ou le butane qui peuvent être valorisés séparément, par exemple à la vente ou en tant que fluides réfrigérants mis en oeuvre dans le procédé de liquéfaction. En général, la liquéfaction est effectuée à une pression environ égale à la pression de fonctionnement de la colonne de fractionnement. La présente invention propose de modifier l'étape de fractionnement pour augmenter la pression d'opération du fractionnement et, en conséquence, augmenter la pression à laquelle le gaz naturel est liquéfié dans le but d'améliorer l'efficacité globale du procédé de liquéfaction. De manière générale, l'invention définit un procédé de liquéfaction d'un gaz naturel, dans lequel on effectue les étapes suivantes : a) on refroidit le gaz naturel, b) on introduit le gaz naturel refroidi dans une colonne de fractionnement de 30 manière à séparer une phase gazeuse riche en méthane et une phase liquide riche en composés plus lourds que l'éthane, 2 c) on soutire ladite phase liquide en fond de la colonne de fractionnement et on évacue ladite phase gazeuse en tête de la colonne de séparation, d) on liquéfie partiellement ladite phase gazeuse de manière à produire un condensat et un flux gazeux, ledit condensat étant recyclé en tête de la colonne de fractionnement à titre de reflux, e) on liquéfie ledit flux gazeux, et dans lequel on choisit les conditions opératoires de la colonne de fractionnement de manière à ce que ladite phase liquide comporte une quantité molaire de méthane comprise entre 10 % et 150 % de la quantité molaire d'éthane de ladite phase. Selon l'invention, on peut choisir les conditions opératoires de la colonne de fractionnement de manière à ce que ladite phase liquide comporte une quantité molaire de méthane comprise entre 40 % et 70 % de la quantité molaire d'éthane. On peut ajuster la quantité molaire de méthane de ladite phase liquide en modifiant la puissance d'un rebouilleur situé en fond de la colonne de fractionnement. Selon l'invention, on peut, en outre, effectuer les étapes suivantes : f) on introduit ladite phase liquide dans une colonne de séparation pour 20 séparer une fraction gazeuse riche en méthane et une fraction liquide comportant des hydrocarbures plus lourds que l'éthane, g) on soutire une portion liquide de la colonne de séparation, h) on extrait, de ladite portion liquide, un flux liquide comportant plus de 95 % molaire d'éthane. 25 A l'étape g), on peut soutirer la portion de liquide à un niveau situé entre le point d'alimentation et la tête de la colonne de séparation. A l'étape h), on peut vaporiser une partie de ladite portion liquide de manière à obtenir ledit flux liquide comportant plus de 95 % molaire d'éthane, 30 ladite partie vaporisée étant introduite dans la colonne de séparation. On peut introduire en tête de la colonne de séparation un reflux liquide à une température comprise entre -10°C et -40°C. A l'étape a), on peut refroidir le gaz naturel par échange de chaleur avec un fluide réfrigérant circulant dans un circuit de réfrigération et on peut condenser partiellement ladite fraction gazeuse riche en méthane obtenue à l'étape f) par échange de chaleur avec une portion dudit fluide réfrigérant, de manière à obtenir ledit reflux liquide introduit en tête de la colonne de séparation. On peut sous-refroidir la portion de fluide réfrigérant par échange de chaleur, avec un liquide soutiré de la colonne de fractionnement. A l'étape e), on peut refroidir le flux gazeux par échange de chaleur à une pression supérieure à 50 bars. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront clairement à la lecture de la description faite ci-après en se 15 référant aux dessins parmi lesquels : - la figure 1 schématise un procédé selon l'art antérieur, - Les figures 2 et 3 schématisent deux procédés selon l'invention. Sur la figure 1, le gaz naturel à liquéfier arrive par le conduit 1'. Le gaz 20 naturel peut avoir été préalablement purifié pour enlever les composés acides, l'eau et éventuellement le mercure. Le gaz naturel circulant dans le conduit 1' est refroidi dans l'échangeur de chaleur El à une température comprise entre 0°C et -60°C. Dans El, la réfrigération est effectuée au moyen du circuit fermé de réfrigération 100 qui fonctionne par compression et détente d'un fluide réfrigérant, 25 par exemple composé d'un mélange d'éthane et de propane. Le gaz naturel partiellement liquéfié dans El est introduit par le conduit 1 dans la colonne de fractionnement 2, rebouillie à l'aide de l'échangeur de chaleur 9. La vapeur évacuée en tête de la colonne 2 par le conduit 3 est partiellement condensée dans l'échangeur de chaleur El, avant d'être introduite 30 dans le ballon de reflux 4. La fraction gazeuse évacuée en tête du ballon 4 est envoyée par le conduit 5 dans l'échangeur de chaleur E2 pour être liquéfiée. Le gaz naturel liquide est évacué de E2 par le conduit 5'. Dans E2, la réfrigération est effectuée au moyen du circuit fermé de réfrigération 200 qui fonctionne par compression et détente d'un fluide réfrigérant, par exemple composé d'un mélange d'azote, de méthane et d'éthane. Le liquide obtenu en fond du ballon 4 est introduit par la pompe 6 et le conduit 7 en tête de la colonne 2 à titre de reflux. Le liquide obtenu en fond de la colonne 2 est évacué par le conduit 8. Le liquide obtenu en fond de la colonne 2 par le conduit 8 est refroidi dans l'échangeur 10, par exemple par de l'eau ou de l'air, puis détendu dans l'organe de détente V. Le liquide refroidi et détendu est introduit dans la colonne de dééthanisation 11, rebouilli par l'échangeur de chaleur 16. En général, la colonne 11 fonctionne à une pression comprise entre 20 et 35 bars. La fraction gazeuse obtenue en tête de la colonne 11 est partiellement condensée à une température comprise entre 0°C et 10°C dans l'échangeur de chaleur 12, par échange de chaleur avec une portion de liquide soutiré latéralement de la colonne 2. Les condensats sont séparés de la phase gazeuse dans le ballon 13. La phase gazeuse évacuée en tête du ballon 13 est constituée principalement de méthane et d'éthane. Elle peut être envoyée au réseau de gaz combustible ou à la liquéfaction dans le conduit 5. Les condensats récupérés en fond du ballon de séparation 13 sont envoyés, à une température de préférence comprise entre 0°C et 10°C, par la pompe 14 en tête de la colonne 11 à titre de reflux. Une fraction des condensats, qui sont principalement constitués d'éthane, est prélevée par le conduit 30 pour être utilisée par exemple dans la composition des fluides réfrigérants circulant dans les circuits 100 ou 200. Les hydrocarbures plus lourds que le méthane sont évacués sous forme liquide en fond de la colonne 11 par le conduit 17.30 Les figures 2 et 3, qui schématisent deux mises en oeuvre de l'invention, reprennent des mêmes éléments de la figure 1 en appliquant des conditions opératoires différentes. Les références des figures 2 et 3 identiques à celles de la figure 1 désignent les mêmes éléments. 5 Selon l'invention, en référence aux figures 2 et 3, les conditions opératoires de la colonne 2 sont choisies de manière à ce que la teneur de méthane du flux évacué par le conduit 8 soit comprise entre 10 % et 150 % molaire, de préférence entre 40 % et 70 % molaire, de la teneur en éthane de ce flux. Par exemple, on peut modifier la température ou la pression opératoire de la colonne 2. En général, la colonne 2 fonctionne à une pression comprise entre 40 et 60 bars. La pression de la colonne 2 peut être ajustée au moyen d'une vanne disposée en amont de la colonne 2 par exemple sur le conduit 1 ou 1'. La température de fonctionnement de la colonne 2 peut être ajustée en modifiant la puissance du rebouillage, c'est-à-dire qu'on augmente ou on diminue la quantité de chaleur que le rebouilleur 9 apporte en fond de la colonne 2. En conséquence de l'ajustement de la puissance du rebouilleur 9, le débit de gaz évacué par le conduit 3 et le débit de liquide évacué par le conduit 8 sont modifiés. En général, on réduit la puissance du rebouilleur 9 de manière à augmenter la quantité de méthane contenu dans le liquide en fond de la colonne 2 et, en conséquence, le débit de liquide 8 augmente. L'envoi d'une quantité importante de méthane en fond de la colonne 2 permet d'avoir une masse spécifique vapeur plus faible à pression identique, donc un ratio de masse spécifique plus élevé. Par conséquent, le fait d'envoyer une quantité importante de méthane en fond de la colonne 2 selon l'invention permet d'opérer la liquéfaction à une pression plus élevée, ce qui diminue la puissance nécessaire pour effectuer la liquéfaction. Selon l'invention, compte tenu que le liquide évacué en fond de la colonne 2 comporte une portion importante de méthane, on applique des conditions de fonctionnement particulières à la colonne de séparation 11. La colonne 11 peut être une colonne de distillation munie de plateaux. On peut imposer une température en tête de la colonne 11 relativement basse, de 6 préférence comprise entre -10°C et -40°C, de manière à améliorer la séparation entre le méthane et les hydrocarbures plus lourds que l'éthane. En référence aux figures 2 et 3, l'échangeur de chaleur 12 peut effectuer un refroidissement à basse température, de préférence comprise entre -10°C et -40°C. Les condensats récupérés en fond du ballon de séparation 13 sont envoyés, à une température de préférence comprise entre -10°C et -40°C, par la pompe 14 en tête de la colonne 11 à titre de reflux. Pour effectuer le refroidissement à basse température dans l'échangeur 12, on peut utiliser une portion du fluide réfrigérant du premier circuit de réfrigération 100. En référence à la figure 2, on prélève une portion du fluide réfrigérant, par le conduit 101, qui est détendue dans la vanne VI avant d'échanger de la chaleur dans 12 avec l'effluent évacué en tête de la colonne 11. En référence à la figure 3, on prélève une portion du fluide réfrigérant du premier circuit de réfrigération 100 par le conduit 101. On refroidit ce fluide par échange de chaleur dans 9' avec une portion de liquide soutirée latéralement de la colonne 2. Par exemple, la portion de liquide est soutirée entre le point d'alimentation par le conduit 1 de la colonne 2 et le fond de la colonne 2. Dans l'échangeur de chaleur 9', le fluide réfrigérant peut être refroidi à une température comprise entre -10°C et 20°C. Le mélange réfrigérant refroidi est détendu dans l'organe VI de manière à être partiellement vaporisé à une température comprise entre -10°C et -40°C. Le fluide partiellement vaporisé est introduit dans l'échangeur 12 pour refroidir et partiellement liquéfier la fraction gazeuse évacuée en tête de la colonne 11. En référence aux figures 2 et 3, le fluide réfrigérant issu de l'échangeur 12 est renvoyé par le conduit 103 vers un des ballons dévésiculeurs du compresseur du premier circuit réfrigérant. Selon l'invention, en référence aux figures 2 et 3, on peut effectuer un soutirage latéral de la colonne 11 afin d'extraire une coupe enrichie en éthane. On soutire du liquide de la colonne 11 par le conduit 18 à un niveau situé entre le point d'alimentation de la colonne 11 par le conduit 8 et le point d'introduction du reflux. Le conduit 18 effectue un soutirage au niveau d'un plateau situé de préférence au moins deux plateaux au-dessus du point d'alimentation. Le liquide 7 soutiré est introduit par le conduit 18 dans la colonne latérale 20, dénommée "colonne de stripage". La colonne 20 fonctionne à une pression sensiblement égale à la pression de la colonne 11, aux pertes de charge près. La colonne 20 est rebouillie à l'aide de l'échangeur de chaleur 19, de manière à vaporiser le méthane présent dans le liquide soutiré. On récupère en fond de la colonne 20 une coupe enrichie en éthane et comportant une très faible proportion de méthane et de propane. Selon l'invention, on peut ajuster la puissance de l'échangeur 19 de manière à maintenir le liquide en fond de la colonne 20 à une température comprise entre 10°C et 20°C. La fraction vaporisée est évacuée en tête de la colonne 20 pour être réintroduite dans la colonne 11. De préférence, on opère la colonne 20 de manière à obtenir une coupe liquide comportant plus de 92 % molaire d'éthane, de préférence plus de 95 % molaire d'éthane. Le liquide riche en éthane peut être utilisé pour constituer les mélanges réfrigérants mis en oeuvre dans les circuits 100 et 200. En fond de la colonne 11, on évacue un liquide enrichi en hydrocarbures plus lourds que l'éthane, qui peut être envoyé par le conduit 17 vers une colonne de dépropanisation. Ainsi, on peut extraire une coupe enrichie en propane qui peut être utilisée pour constituer les mélanges réfrigérants mis en oeuvre dans les circuits 100 et 200. 8 Les exemples numériques présentés ci-après permettent d'illustrer le fonctionnement du procédé selon l'invention. Exemple 1 : On opère le schéma de la figure 1 selon l'art antérieur. Le gaz naturel prétraité et séché circule dans le conduit 1' à un débit de 35 000 kmole/h, avec la composition suivante : Composant Composition (% mol) N2 1 Cl 90 C2 5.5 C3 2.1 iC4 0.5 nC4 0.5 iC5 0.05 nC5 0.05 C6 0.05 C7 0.05 C8 0.05 C9 0.05 Benzène 0.05 Toluène 0.05 Le gaz est refroidi dans El à une température de -30°C, puis introduit 10 dans la colonne de fractionnement 2. Pour pouvoir distiller le gaz dans la colonne 2, il faut rester suffisamment en dessous des conditions critiques. Un critère couramment employé par l'homme du métier est que le rapport des masses spécifiques des phases liquides et vapeur au fond de la colonne 2 doit rester supérieur à une certaine valeur pour 15 pouvoir opérer. Des valeurs entre 3 et 6 sont utilisées par l'homme du métier. Nous utilisons dans cet exemple 1 une valeur de 4,5. La colonne 2 fonctionne à 40,5 bars, le condenseur 4 fonctionne à -60°C, et le rapport C1 /C2 en fond de la colonne 2 est de 1%. Dans ces conditions, on obtient en fond de la colonne 2 une masse 20 spécifique de liquide de 404,8 kg/m3 et une masse spécifique de vapeur de 88,95 kg/m3. Ainsi le rapport des masses spécifiques des phases liquide et vapeur au fond de la colonne 2 est de 4,55. La liquéfaction est donc effectuée dans E2 à une pression de 40 bars. Pour l'ensemble de la liquéfaction, une puissance de 162,4 MW est nécessaire au 5 total pour les compresseurs des deux cycles à mélange réfrigérant. Dans l'exemple 1, la colonne de dééthanisation 11 ne comporte pas de colonne latérale. De plus, le flux obtenu en tête de la colonne 1 est refroidi uniquement par échange de chaleur avec un soutirage latéral de la colonne de fractionnement 2, et donc n'augmente pas la puissance frigorifique nécessaire au 10 fonctionnement du procédé. Exemple 2 : On opère le schéma 2 selon l'invention. Le gaz à traiter a une composition et un débit identique à celui de 15 l'exemple 1. Le gaz est refroidi dans El à une température de -30°C, puis introduit dans la colonne de fractionnement 2. La colonne 2 fonctionne à 53,5 bars, le condenseur 4 fonctionne à -60°C, et le rapport C1/C2 en fond de la colonne 2 est de 55 %. 20 Dans ces conditions, on obtient en fond de la colonne 2 une masse spécifique de liquide de 405,6 kg/m3 et une masse spécifique de vapeur de 87,7 kg/m3. Ainsi le rapport des masses spécifiques des phases liquide et vapeur au fond de la colonne 2 est de 4,6. La liquéfaction est donc effectuée dans E2 à une pression de 53 bars. 25 Pour l'ensemble de la liquéfaction, une puissance de 148,3 MW est nécessaire au total pour les compresseurs des deux cycles à mélange réfrigérant, soit un gain d'environ 9% par rapport à l'exemple 1. La contrepartie de ce gain d'efficacité réside dans la difficulté pour 30 récupérer un flux enrichi en éthane, nécessaire pour effectuer l'appoint de fluide caloporteur des circuits de réfrigération 100 et 200. En effet, une simple distillation 10 dans la colonne de séparation 11 permet d'obtenir en tête un mélange de Cl et C2 utilisable dans le deuxième cycle de réfrigération 200, mais pas dans le premier cycle 100 qui met en oeuvre un mélange de C2 et de C3. L'invention propose, dans l'exemple 2, de mettre en oeuvre la colonne de stripage latérale 20. Le flux en tête de la colonne 11 est refroidi à une température de -20°C par échange de chaleur avec une portion du fluide caloporteur du premier circuit de réfrigération 100. De plus, l'effluent évacué en tête du ballon 13 doit être liquéfié. Ces échanges de chaleur supplémentaires entraînent une perte d'efficacité d'environ 1% par rapport à l'exemple 1. Au final, le mode opératoire selon l'invention de l'exemple 2 est beaucoup plus attractif que le mode opératoire de l'exemple 1 : il permet d'économiser environ 8% d'énergie ou d'augmenter la capacité de liquéfaction d'environ 8 0/0 avec les mêmes turbines à gaz.15 REVENDICATIONS 1) Procédé de liquéfaction d'un gaz naturel, dans lequel on effectue les étapes suivantes : a) on refroidit le gaz naturel, b) on introduit le gaz naturel refroidi dans une colonne de fractionnement de manière à séparer une phase gazeuse riche en méthane et une phase 10 liquide riche en composés plus lourds que l'éthane, c) on soutire ladite phase liquide en fond de la colonne de fractionnement et on évacue ladite phase gazeuse en tête de la colonne de séparation, d) on liquéfie partiellement ladite phase gazeuse de manière à produire un condensat et un flux gazeux, ledit condensat étant recyclé en tête de la 15 colonne de fractionnement à titre de reflux, e) on liquéfie ledit flux gazeux, et dans lequel on choisit les conditions opératoires de la colonne de fractionnement de manière à ce que ladite phase liquide comporte une quantité molaire de méthane comprise entre 10 % et 150 % de la quantité molaire d'éthane 20 contenu dans ladite phase liquide. 2) Procédé selon la revendication 1, dans lequel on choisit les conditions opératoires de la colonne de fractionnement de manière à ce que ladite phase liquide comporte une quantité molaire de méthane comprise entre 40 % et 70 % 25 de la quantité molaire d'éthane contenu dans ladite phase liquide. 3) Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel on ajuste la quantité molaire de méthane par rapport à la quantité d'éthane de ladite phase liquide en modifiant la puissance d'un rebouilleur situé en fond de la colonne de 30 fractionnement. 12 4) Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel on effectue, en outre, les étapes suivantes : f) on introduit ladite phase liquide dans une colonne de séparation pour séparer une fraction gazeuse riche en méthane et une fraction liquide comportant des hydrocarbures plus lourds que l'éthane, g) on soutire une portion liquide de la colonne de séparation, h) on extrait, de ladite portion liquide, un flux liquide comportant plus de 95 0/0 molaire d'éthane. 5) Procédé selon la revendication 4, dans lequel à l'étape g), on soutire la portion de liquide à un niveau situé entre le point d'alimentation et la tête de la colonne de séparation. 6) Procédé selon l'une des revendications 4 et 5, dans lequel à l'étape h), on vaporise une partie de ladite portion liquide de manière à obtenir ledit flux liquide comportant plus de 95 % molaire d'éthane, ladite partie vaporisée étant introduite dans la colonne de séparation. 7) Procédé selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel on introduit en 20 tête de la colonne de séparation un reflux liquide à une température comprise entre -10°C et -40°C. 8) Procédé selon la revendication 7, dans lequel à l'étape a) on refroidit le gaz naturel par échange de chaleur avec un fluide réfrigérant circulant dans un 25 circuit de réfrigération et dans lequel on condense partiellement ladite fraction gazeuse riche en méthane obtenue à l'étape f) par échange de chaleur avec une portion dudit fluide réfrigérant, de manière à obtenir ledit reflux liquide introduit en tête de la colonne de séparation. 13 9) Procédé selon la revendication 8, dans lequel on sous-refroidit la portion de fluide réfrigérant par échange de chaleur, avec un liquide soutiré de la colonne de fractionnement. 10) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel à l'étape e) on refroidit le flux gazeux par échange de chaleur à une pression supérieure à 50 bars.