Brevet FR3044747A1 — publié le 20170609

La présente invention concerne un procédé de liquéfaction d'un courant d'hydrocarbures tel que le gaz naturel en particulier dans un procédé pour la production de gaz naturel liquéfié et d'un courant d'azote liquide. Sur des usines de liquéfaction de gaz naturel typiques utilisant un cycle de réfrigérant mixte, des courants réfrigérants sont utilisés pour produire le froid à différents niveaux d'un échangeur de chaleur principal en se vaporisant contre le courant d'hydrocarbures à liquéfier (typiquement le gaz naturel). La présente invention est particulièrement bien adaptée sur un site où une unité de séparation d'air (ASU) et une unité de liquéfaction de gaz naturel sont présentes. Il est souhaitable de liquéfier le gaz naturel pour un certain nombre de raisons. A titre d'exemple, le gaz naturel peut être stocké et transporté sur de longues distances plus facilement à l'état liquide que sous forme gazeuse, car il occupe un volume plus petit pour une masse donnée et n'a pas besoin d'être stocké à une pression élevée. Il est connu de l'état de la technique, en particulier de la demande de brevet EP 1435497, de combiner thermiquement une unité de séparation d'air avec une unité de liquéfaction de gaz naturel dans laquelle le froid nécessaire pour la liquéfaction du gaz naturel est produit par l'unité de séparation d'air par l'intermédiaire d'azote liquide. L'inconvénient d'un tel système est qu'en général, la quantité d'azote liquide produit par l'unité de séparation d'air n'est pas suffisante pour éviter d'avoir à investir dans un système de production de frigories (turbo machinerie par exemple) pour l'unité de liquéfaction de gaz naturel. Par ailleurs, la liquéfaction de gaz naturel par azote liquide est beaucoup moins efficace énergiquement que l'emploi de cycles de réfrigération tels que le cycle Azote, basé sur le principe du cycle de Brayton inverse, ou un cycle utilisant des réfrigérants mixtes, basé sur la vaporisation de différents courants d'hydrocarbures à différents niveaux dans l'échangeur de liquéfaction 3044747 2 Les inventeurs de la présente invention ont alors mis au point une solution permettant de résoudre le problème soulevé ci-dessus, à savoir minimiser l'investissement dans un système de production de frigories dans l'unité de séparation d'air et donc d'optimiser les dépenses d'investissement tout en gardant 5 une efficacité optimale pour la liquéfaction du gaz naturel dans l'unité de liquéfaction. La présente invention a pour objet un procédé de production de gaz naturel liquéfié et d'un courant d'azote liquide comprenant au moins les étapes suivantes : - Etape a) : production d'azote gazeux par une unité de séparation d'air 10 (ASU); - Etape b) : liquéfaction d'un courant (1) de gaz naturel dans une unité de liquéfaction de gaz naturel comprenant un échangeur (2) de chaleur principal et un système de production de frigories ; - Etape c) : liquéfaction du courant d'azote issu de l'étape a) dans ledit 15 échangeur principal de l'unité de liquéfaction de gaz naturel en parallèle du gaz naturel liquéfié à l'étape b); caractérisé en ce que tout le froid nécessaire à la liquéfaction du courant d'azote et à la liquéfaction du gaz naturel est fourni par ledit système de production de frigories de l'unité de liquéfaction de gaz naturel. 20 Selon d'autres modes de réalisation, l'invention a aussi pour objet : Un procédé tel que décrit précédemment, caractérisé en ce que l'unité de séparation d'air comprend au moins une colonne dite haute pression et au moins une colonne dite basse pression, l'azote gazeux produit à l'étape a) étant produit en tête de colonne basse pression. 25 Un procédé tel que décrit précédemment, caractérisé en ce qu'une partie de l'azote liquéfié issu de l'étape c) est recyclée dans l'unité de séparation d'air au niveau de la tête de la colonne basse pression. Un procédé tel que décrit précédemment, caractérisé en ce que ledit système de production de frigories comprend au moins un compresseur et au 30 moins un système turbine-surpresseur. Un procédé tel que décrit précédemment, caractérisé en ce que l'unité de liquéfaction comprend un cycle de réfrigération alimenté par un courant réfrigérant contenant au moins un des constituants choisis parmi l'azote, le méthane, l'éthylène, l'éthane, le butane et le pentane. 3044747 3 La présente invention a aussi pour objet un dispositif de production de gaz naturel liquéfié et d'azote liquide comprenant une unité de séparation d'air produisant au moins un courant gazeux d'azote et une unité de liquéfaction de gaz naturel, ladite unité de liquéfaction de gaz naturel comprenant au moins un 5 échangeur de chaleur principal et un système de production de frigories caractérisé en ce que le système de production de frigories est apte à et conçu pour liquéfier à la fois le courant d'azote issu de l'unité de séparation d'air et le courant de gaz naturel circulant dans l'unité de liquéfaction de gaz naturel. Selon un mode particulier, l'invention a pour objet un dispositif tel que décrit 10 précédemment, caractérisé en ce que ledit système de production de frigories comprend au moins un compresseur et au moins un système turbine-surpresseur. L'objet de la présente invention est de coupler thermiquement une unité de liquéfaction d'un gaz riche en hydrocarbures, typiquement du gaz naturel, avec une unité de séparation d'air (ASU). 15 Par couplage thermique on entend mise en commun des moyens de production de frigories pour assurer le bilan thermique des deux unités, typiquement compresseur d'air, compresseur de cycle de réfrigération, et éventuellement un système turbine/surpresseur. Par système turbine/surpresseur on entend une turbine mécaniquement 20 couplée (via un arbre commun) à un compresseur mono-étagé. La puissance générée à travers la turbine étant directement transmise au compresseur mono-étagé. Le besoin frigorifique d'une unité de liquéfaction de gaz naturel étant généralement plus important que le besoin frigorifique d'une unité de séparation 25 d'air, il est pertinent de profiter des machines (compresseurs et/ou turbine/surpresseurs) de l'unité de liquéfaction de gaz naturel pour assurer au moins partiellement le besoin frigorifique de l'unité de séparation d'air et notamment limiter l'investissement en machinerie de l'ASU. En particulier, l'investissement incrémental pour augmenter la capacité de 30 liquéfaction d'un liquéfacteur d'hydrocarbures est bien inférieur à l'investissement incrémental pour augmenter la capacité de production liquide d'une unité de séparation d'air. 3044747 4 L'invention s'applique particulièrement à une unité de séparation d'air produisant un ou plusieurs courants gazeux, dont au moins un courant d'azote gazeux. Ce courant d'azote gazeux est envoyé dans l'échangeur principal de l'unité 5 de liquéfaction de gaz naturel et s'y liquéfie en parallèle du courant de gaz naturel. Le froid nécessaire à la liquéfaction de ce courant d'azote gazeux est fourni par les moyens de production de frigories du cycle de liquéfaction de gaz naturel lui-même, typiquement le compresseur de cycle avec éventuellement des turbine/surpresseurs. 10 Le courant d'azote gazeux pourra éventuellement être comprimé avant d'être envoyé dans l'unité de liquéfaction du gaz naturel pour faciliter sa liquéfaction. Une fois liquéfié, le courant d'azote est au moins partiellement renvoyé dans l'unité de séparation d'air, typiquement en tête d'une colonne basse pression, pour y assurer le bilan frigorifique. 15 Un des avantages de cette solution est de profiter de la capacité frigorifique du liquéfacteur de gaz naturel pour augmenter le rendement en oxygène et en argon de l'ASU tout en limitant son investissement. Cette solution permet également à une ASU ne produisant dans sa configuration initiale presque que des courants gazeux et très peu de liquides de produire des courants liquides en 20 plus grande quantité tout en limitant le surinvestissement. Dans le cas particulier d'un cycle de liquéfaction de gaz naturel à l'azote, dont la production de frigories est assurée par une compresseur de cycle ainsi que par au moins un système turbine/surpresseur, le courant d'azote gazeux issu de l'ASU sera préférentiellement introduit en amont du compresseur de cycle pour y 25 être ainsi comprimé avant d'être liquéfié dans l'échangeur principal de l'unité de liquéfaction du gaz naturel. Bien que le procédé selon la présente invention soit applicable à divers courants d'alimentation d'hydrocarbures, il est particulièrement adapté pour des courants de gaz naturel à liquéfier. En outre l'homme de l'art comprendra 30 aisément que, après liquéfaction, le gaz naturel liquéfié peut être davantage traité, si désiré. A titre d'exemple, le gaz naturel liquéfié obtenu peut être dépressurisé au moyen d'une vanne de Joule-Thomson ou par l'intermédiaire d'une turbine. 3044747 5 En outre, d'autres étapes de traitement intermédiaires entre la séparation gaz/liquide et le refroidissement peuvent être réalisées. Le courant d'hydrocarbures à liquéfier est généralement un flux de gaz naturel obtenu à partir de champs de gaz naturel ou des réservoirs de pétrole. Comme alternative, le flux 5 de gaz naturel peut également être obtenu d'une autre source, comprenant également une source synthétique telle qu'un procédé de Fischer-Tropsch. Habituellement, le flux de gaz naturel est composé essentiellement de méthane. De préférence, le courant d'alimentation comprend au moins 60% mol de méthane, de préférence au moins 80% mol de méthane. En fonction de la 10 source, le gaz naturel peut contenir des quantités d'hydrocarbures plus lourds que le méthane, tels que l'éthane, le propane, le butane et le pentane ainsi que certains hydrocarbures aromatiques. Le flux de gaz naturel peut également contenir des produits non-hydrocarbures tels que H2O, N2, CO2, H2S et d'autres composés soufrés, et autres. 15 Le flux d'alimentation contenant le gaz naturel peut être prétraité avant d'être l'introduit dans l'échangeur de chaleur. Ce prétraitement peut comprendre la réduction et/ou l'élimination des composants indésirables tels que le CO2 et le H2S, ou d'autres étapes telles que le pré-refroidissement et/ou la mise sous pression. Etant donné que ces mesures sont bien connues de l'homme de l'art, 20 elles ne sont pas davantage détaillées ici. L'expression "gaz naturel" telle qu'utilisée dans la présente demande se rapporte à toute composition contenant des hydrocarbures dont au moins du méthane. Cela comprend une composition « brute » (préalablement à tout traitement tel que nettoyage ou lavage), ainsi que toute composition ayant été 25 partiellement, substantiellement ou entièrement traitée pour la réduction et/ou élimination d'un ou plusieurs composés, y compris, mais sans s'y limiter, le soufre, le dioxyde de carbone, l'eau, et les hydrocarbures ayant deux atomes de carbone ou plus. L'échangeur de chaleur peut être toute colonne, une unité ou autre 30 agencement adapté pour permettre le passage d'un certain nombre de flux, et ainsi permettre un échange de chaleur direct ou indirect entre une ou plusieurs lignes de fluide réfrigérant, et un ou plusieurs flux d'alimentation. 3044 74 7 6 L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant à la figure qui illustre le schéma d'un mode de réalisation particulier d'une mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention. Sur la figure, un flux de gaz naturel 1 est introduit dans l'échangeur principal 5 2 d'une unité 3 de liquéfaction de gaz naturel afin d'être liquéfié. Un courant 20 de gaz naturel liquide est extrait de l'unité de liquéfaction 3. Un courant réfrigérant circule en cycle fermé dans cet échangeur de chaleur 2 afin d'apporter le froid nécessaire pour liquéfier ledit courant 1 de gaz naturel. En particulier, la présente figure décrit un cycle de liquéfaction utilisant de 10 l'azote. Néanmoins, d'autres types de cycles de liquéfaction de gaz naturel peuvent être mis en oeuvre, par exemple un cycle de Brayton inverse (notamment alimenté à l'azote) mais on peut aussi utiliser au cycle au NG lui même) ou un cycle basé sur un ou plusieurs réfrigérants mixtes. 15 Sur le même site, une unité de séparation d'air (ASU) 4 contenant au moins une colonne dite haute pression 6 et une colonne dite basse pression 5 produit un courant gazeux 7 d'azote. Ce courant 7 d'azote est introduit dans le système 8 de production de frigories de l'unité de liquéfaction 3 via un compresseur 9. En sortie du compresseur, le courant d'azote est introduit dans au moins un surpresseur 10 20 en série du compresseur 9. Au moins une partie du débit issu de ce au moins un surpresseur 10 est relié à un moins une turbine 11, une turbine11 liée à un surpresseur 10 formant ce qui est nommé dans la présente demande un système turbine/surpresseur. En sortie de surpresseur 10, le courant d'azote est introduit dans l'échangeur de chaleur principal 2 afin d'être refroidi en parallèle du flux 1 de 25 gaz naturel liquéfié dans cet échangeur 2. Une partie 12 du courant gazeux ainsi refroidi est extraite de l'échangeur 2 à un niveau intermédiaire 13 afin d'être introduite dans la turbine 11 reliée au surpresseur 10 dont est issu le courant gazeux préalablement introduit dans l'échangeur 2. En sortie de la turbine 11, le courant d'azote est à nouveau introduit dans l'échangeur de chaleur 2 à son 30 extrémité la plus froide (c'est à dire une entrée 14 dont le niveau de température est le plus faible des niveaux de température de l'échangeur 2). Le courant d'azote ainsi introduit dans l'échangeur est alors réchauffé jusqu'à la sortie 15 de l'échangeur 2 dont le niveau de température est le plus élevé, puis est envoyé vers le compresseur 9 afin de suivre le même chemin que le courant 7. 3044747 7 L'autre partie 16 du courant d'azote en sortie de surpresseur 10 introduite dans l'échangeur de chaleur 2, qui n'est pas extraite au niveau intermédiaire 13, est liquéfiée en parallèle du flux 1 de gaz naturel. Une fois liquéfié, un courant 17 d'azote liquide est séparé en au moins deux flux 18 et 19. Le flux 18 d'azote 5 liquide est recyclé dans l'unité de séparation d'air 4 en étant introduit en tête de la colonne basse pression 5 de l'unité 4. Le flux d'azote liquide 19 est lui destiné à la production. Une variante du procédé selon l'invention consiste à introduire au moins une partie 7' du courant d'azote gazeux 7 extrait de l'unité de séparation d'air 4 10 directement dans l'échangeur de chaleur principal 2 afin d'être liquéfiée en parallèle du flux 1 de gaz naturel et d'être extraite sous forme liquide à une sortie 21 de l'échangeur dont le niveau de température est le plus faible et ainsi rejoindre le flux 19 destiné à la production. REVENDICATIONS1. Procédé de production de gaz naturel liquéfié et d'un courant d'azote liquide comprenant au moins les étapes suivantes : - Etape a) : production d'azote gazeux (7) par une unité (4) de séparation d'air (ASU); - Etape b) : liquéfaction d'un courant (1) de gaz naturel dans une unité (3) 10 de liquéfaction de gaz naturel comprenant un échangeur (2) de chaleur principal et un système (8) de production de frigories ; - Etape c) : liquéfaction du courant (7) d'azote issu de l'étape a) dans ledit échangeur principal (2) de l'unité (3) de liquéfaction de gaz naturel en parallèle du gaz naturel liquéfié (20) à l'étape b); 15 caractérisé en ce que tout le froid nécessaire à la liquéfaction du courant d'azote et à la liquéfaction du gaz naturel est fourni par ledit système (8) de production de frigories de l'unité (3) de liquéfaction de gaz naturel. 2. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'unité 20 (4) de séparation d'air comprend au moins une colonne (6) dite haute pression et au moins une colonne (5) dite basse pression, l'azote gazeux produit à l'étape a) étant produit en tête de colonne (5) basse pression. 3. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'une 25 partie de l'azote liquéfié issu de l'étape c) est recyclée dans l'unité (4) de séparation d'air au niveau de la tête de la colonne (5) basse pression. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit système (8) de production de frigories comprend au moins 30 un compresseur (9) et au moins un système turbine-surpresseur (10, 11). 3044747 9 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité (3) de liquéfaction comprend un cycle de réfrigération alimenté par un courant réfrigérant contenant au moins un des constituants choisis parmi l'azote, le méthane, l'éthylène, l'éthane, le butane et le pentane. 6. Dispositif de production de gaz naturel liquéfié et d'azote liquide comprenant une unité (4) de séparation d'air produisant au moins un courant (7) gazeux d'azote et une unité (3) de liquéfaction de gaz naturel, ladite unité (3) de liquéfaction de gaz naturel comprenant au moins un échangeur (2) de chaleur principal et un système (8) de production de frigories caractérisé en ce que le système (8) de production de frigories est apte à et conçu pour liquéfier à la fois le courant d'azote (7) issu de l'unité de séparation (4) d'air et le courant (1) de gaz naturel circulant dans l'unité (3) de liquéfaction de gaz naturel. 7. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit système (8) de production de frigories comprend au moins un compresseur (9) et au moins un système turbine-surpresseur (10, 11).20