Brevet FR3082922A1 — publié le 20191227

L'invention a pour objet un procédé de liquéfaction de gaz naturel intégré à un procédé de production de liquides extraits d'un courant d'alimentation de gaz naturel. Le gaz naturel est souvent extrait d'un puits avec beaucoup de produits hydrocarbures lourds. Il est souhaitable de les éliminer, d'abord pour éviter la condensation à l'intérieur des canalisations et surtout pour les vendre comme sous-produits de valeur. Le propane ainsi que les produits plus lourds peuvent presque toujours être valorisés de façon importante par rapport au gaz naturel. Un produit qui pose souvent question est l'éthane. En effet, en fonction de la valeur marchande, il peut être intéressant ou non de le vendre en tant que sous-produit. Il est également généralement acceptable de le laisser dans le gaz naturel car l'impact sur le point de rosée des hydrocarbures est inférieur à celui des hydrocarbures plus lourds. Il existe de nombreux exemples d'installations LGN (pour Liquides du Gaz Naturel) permettant la mise en oeuvre de procédés ayant la capacité d'extraire l'éthane à un taux de récupération élevé (généralement de 95% à 98% de récupération d'éthane). Ces procédés sont souvent conçus pour ne pas être flexibles, car conçus uniquement pour la récupération de l'éthane. Un grand nombre de ces usines de LGN conçues pour des taux de récupération élevés d'éthane ont été construites en fonction d'un prix élevé de l'éthane. Le problème est que parfois, plus tard, le prix de l'éthane devient très bas (le prix du gaz naturel et de l'éthane est presque le même), et atteindre ainsi des taux élevés de récupération de l'éthane est un gaspillage d'énergie et d'argent. D'autre part, dans certains endroits, le gaz naturel liquéfié peut être vendu à un prix élevé pour les marchés locaux, tels que l'énergie à distance, le soutage (il s'agit de l'opération consistant en la prise d'hydrocarbures de soute ou « bunkers » à bord d'un navire. Ces hydrocarbures de soute servent à la propulsion du navire), le transport... La solution typique pour faire face à la situation où valeur de l'éthane est significativement plus faible que prévu est de faire fonctionner l'usine en utilisant la capacité de récupération de l'éthane afin de minimiser la consommation d'énergie. On considère par exemple un fonctionnement avec une récupération de 40% à 60% 2 d'éthane tout en réduisant à zéro le recyclage du compresseur de gaz résiduels mis en oeuvre dans ce type de procédé et en augmentant la pression de fonctionnement de la colonne de distillation mise en oeuvre dans ce type de procédé. Un critère clé est de maintenir une récupération élevée du propane afin de maximiser la valeur des 5 ventes de propane. Un des problèmes que se propose donc de résoudre l'invention est celui de fournir un procédé de récupération des liquides d'un courant de gaz naturel intégré à un procédé de production de gaz naturel liquéfié tout en réduisant la consommation énergétique. 10 Les inventeurs de la présente invention ont alors mis au point une solution permettant de résoudre le problèmes soulevé ci-dessus. La présente invention a pour objet un procédé de liquéfaction de gaz naturel intégré à un procédé de production de liquides extraits d'un courant d'alimentation de gaz naturel comprenant les étapes suivantes : 15 Etape a) Refroidissement d'un courant d'alimentation de gaz naturel à une température Ti dans un échangeur de chaleur principal : Etape b) Introduction d'au moins une partie du courant issu de l'étape a) dans un moyen de détente afin de baisser la pression de ce courant jusqu'à une pression P1 ; 20 Etape c) Introduction d'au moins une partie du courant issu de l'étape b) dans une colonne de distillation produisant, en cuve, un courant de liquides comprenant au moins 85% mol d'hydrocarbures ayant au moins deux atomes de carbone et en tête, un courant gazeux comprenant au moins 90% mol de méthane 25 Etape d) Compression d'au moins une partie du courant gazeux issu de l'étape c) à une pression P2 ; Etape e) Introduction d'une partie du courant issu de l'étape d) dans un ou plusieurs échangeurs afin de le condenser ; caractérisé en ce qu'au moins une partie du courant condensé à l'étape 30 e) est sous-refroidie par échange de chaleur avec un cycle fermé de réfrigération et en ce que les refroidissements obtenus aux étapes a) et e) sont opérés par échange de chaleur avec au moins une partie du gaz issu de l'étape b) et/ou au moins une partie du gaz issu de l'étape c). 3 Par sous-refroidissement on entend un refroidissement d'un liquide ou courant supercritique à une température inférieure au point de bulle ou à une température à laquelle la densité varie relativement peu en fonction de la température. 5 A l'étape e), le courant est condensé à une température par exemple inférieure ou égale à -60°C, elle-même inférieure à Ti. Selon d'autres modes de réalisation, l'invention a aussi pour objet : 10 Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ledit cycle fermé de réfrigération est un cycle à l'azote, Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en qu'un courant d'azote est refroidi dans un échangeur de chaleur, puis détendu afin d'extraire de la chaleur, puis 15 introduit dans un échangeur de chaleur afin d'apporter les frigories nécessaires au sous-refroidissement d'au moins une partie du courant issu de l'étape e). Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce qu'au moins une partie des refroidissements réalisés aux étapes a) et e) sont obtenus par vaporisation d'un 20 courant de propane, Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que lors de l'étape e), préalablement à l'introduction dans ledit échangeur principal, ledit courant à refroidir est introduit dans une unité d'adsorption modulée en température (TSA) 25 afin d'adsorber du dioxyde de carbone, ladite unité d'adsorption modulée en température (TSA) étant régénérée par une partie du courant issue de l'étape c) non mise en oeuvre lors de l'étape e), Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ledit moyen de détente 30 mis en oeuvre lors de l'étape b) est une turbine, Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que préalablement à l'étape d), ladite au moins une partie du courant gazeux issu de l'étape c) à comprimer à une pression P2 est réchauffée dans ledit échangeur principal, 4 Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que P2 est supérieure ou égale à 40 bars abs, 5 Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que P2 - P1 est supérieure ou égale à 20 bars abs. Habituellement, le flux de gaz naturel est composé essentiellement de méthane. De préférence, le courant d'alimentation comprend au moins 80% mol de méthane. En 10 fonction de la source, le gaz naturel contient des quantités d'hydrocarbures plus lourds que le méthane, tels que par exemple l'éthane, le propane, le butane et le pentane ainsi que certains hydrocarbures aromatiques. Le flux de gaz naturel contient également des produits non-hydrocarbures tels que H20, N2, CO2, H2S et d'autres composés soufrés, le mercure et autres. 15 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 ou lavage), ainsi que toute composition ayant été partiellement, substantiellement ou entièrement traitée pour la réduction et/ou élimination d'un ou plusieurs composés, y compris, mais 20 sans s'y limiter, le soufre, le dioxyde de carbone, l'eau, le mercure et certains hydrocarbures lourds et aromatiques. L'échangeur de chaleur peut être tout échangeur thermique, toute unité ou autre 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 25 fluide réfrigérant, et un ou plusieurs flux d'alimentation. Le terme « taux d'extraction d'éthane » désigne le ratio du débit molaire partiel d'éthane contenu dans la coupe liquide en cuve de ladite première colonne à distiller récupérée à l'étape e) sur le débit molaire partiel d'éthane dans la gaz d'alimentation. Un avantage du procédé objet de la présente invention résulte de l'utilisation du 30 froid du procédé de récupération des liquides du gaz naturel pour aider à liquéfier le gaz naturel. L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant à la figure qui illustre un mode de réalisation particulier d'un procédé selon l'invention mise en oeuvre par une installation telle que schématisée sur la figure. 5 On désigne par une même référence un flux liquide et la conduite qui le véhicule, les pressions considérées sont des pressions absolues et les pourcentages considérés sont des pourcentages molaires. Sur la figure, un flux d'alimentation de gaz naturel 1 à une pression PO, 5 généralement élevée (supérieure à 30 bar abs, préférentiellement supérieure à 50 bar abs) et une température TO voisine de la température ambiante est refroidi dans un échangeur de chaleur principal 2 à une température Ti. Ti est typiquement inférieure à - 20°C, par exemple de l'ordre de -35°C. Le courant de gaz naturel 3 ainsi pré refroidi à une température Ti alimente un premier pot séparateur de phases 4 produisant un 10 premier courant gazeux Set un premier courant liquide 6. Le courant 5 est séparé en deux courants 7 et 8. Le courant 7 alimente un "turboexpandeur" 9 dans lequel il est détendu pour former un courant 10 qui alimente une première colonne à distiller (ou colonne de fractionnement) 11 à un niveau d'introduction intermédiaire N'. Le courant liquide 6 est détendu 12 dans un moyen de 15 détente 13. Le courant détendu 12 alimente la colonne 11 à un niveau d'introduction intermédiaire N" situé à un étage inférieur à l'étage N'. Par niveau intermédiaire, on entend un emplacement comportant des moyens de distillation au-dessus et au-dessous de ce niveau. La colonne 11 produit en tête 14 du gaz naturel traité 15 et en pied 16 un mélange 20 de gaz liquéfiés 17. Au moins une partie du gaz traité 15 est réchauffée 18 principalement dans l'échangeur de chaleur 2 jusqu'à une température proche de TO. Le courant 18 ainsi réchauffé est comprimé 20 dans une unité de compression 19 à une pression P2. Typiquement P2 est supérieure à 40 bar abs, par exemple de l'ordre de 60 bar abs. 25 Le courant 20 est séparé en deux courants 21 et 22. Le courant 22 est destiné par exemple à la vente et est composé d'au moins 90% de méthane. Le courant 21 est refroidi 39 à travers l'échangeur principal 2 jusqu'à la température Ti. Ensuite, le courant 39 est de nouveau refroidi 24 dans un échangeur de chaleur 23 jusqu'à une température 12. Par exemple Ti - 12 est comprise entre 30°C et 60°C. Typiquement 30 T2 est par exemple comprise entre -100°C et - 60°C. L'échangeur de chaleur 23 peut également servir à une première étape de réchauffement du courant 15 avant son passage dans l'échangeur principal 2. Le courant 24 est ensuite liquéfié par échange de chaleur dans un échangeur de chaleur 25 à l'aide d'un cycle de réfrigération 27. 6 Par cycle de réfrigération on entend un système généralement en boucle fermée, dans lequel un fluide de travail est comprimé et détendu, transférant de la chaleur du procédé vers l'extérieur. Deux principaux types de cycles existent : un cycle de Rankine inversé et un cycle de Brayton inversé. 5 Ce cycle de réfrigération 27 est préférentiellement un cycle azote. Dans ce cas, cela signifie que le cycle de réfrigération 27 utilise de l'azote comme fluide de travail et est basé sur un cycle de Brayton inverse. L'azote est refroidi 36 à haute pression dans un échangeur 28, puis détendu 37 dans une turbine 29 afin d'en extraire de la chaleur, puis réintroduit dans un échangeur 25 à une température plus basse, 10 permettant ainsi d'apporter des frigories 38 à la température voulue (jusqu'à -180°C ou même plus bas). Après avoir été réchauffé, l'azote est renvoyé au compresseur 30. Le choix du cycle azote permet des réductions de consommation d'énergie : c'est l'un des cycles de liquéfaction les moins consommateurs du marché. De plus, le cycle azote utilisé ici n'utilise qu'une turbine contre deux pour un cycle standard, ce qui le 15 rend particulièrement simple. Même si le cycle azote est connu pour avoir une énergie spécifique plus élevée que les autres cycles (SMR par exemple), son énergie spécifique dans ce processus intégré ne sera pas très élevée car il profite de la réfrigération au propane et du turbodétendeur au gaz naturel. 20 En effet, le refroidissement des courants refroidis dans l'échangeur principal 2 est obtenu par un cycle de réfrigération au propane. Ce cycle de réfrigération utilise du propane comme fluide de travail et est basé sur un cycle de Rankine inverse. Le propane est condensé à température ambiante puis détendu 31 afin d'être vaporisé dans le procédé à une température typiquement comprise entre -40°C et - 25 20°C. Une fois vaporisé 32, le propane est envoyé à un compresseur 33 puis renvoyé 34 soit vers l'échangeur de chaleur 2 et/ou 35 vers l'échangeur de chaleur 28. L'efficacité de la production de gaz naturel liquéfié (GNL) peut être comparée à l'énergie spécifique traditionnelle pour la production de GNL : - Cycle azote autonome avec deux turbines : 400 - 450 kWh / tonne. 30 - Cycle de réfrigérant mixte unique : 350 - 400 kWh / tonne. L'efficacité obtenue rend le procédé objet de la présente invention aussi efficace qu'un procédé de réfrigération mixte tout en étant beaucoup plus simple. Selon un mode particulier de l'invention, si le gaz d'alimentation 1 de gaz naturel contient de 100 à 2 000 ppm de CO2, il est assez typique de ne pas éliminer le CO2 7 avant l'extraction des liquides 17, car les températures permettent la solubilité du CO2 dans ces conditions. Cependant, il est nécessaire d'éliminer ce CO2 pour la production du gaz naturel liquéfié 26. La solution proposée consiste à utiliser au moins une unité d'adsorption modulée en température (TSA) pour adsorber le CO2 sur le gaz recyclé 5 21 avant de pénétrer à nouveau dans l'échangeur de chaleur principal 2. L'unité TSA peut par exemple être régénérée en utilisant le reste du résidu gazeux 22 après chauffage. Les tableaux suivants récapitulent les conditions de mise en oeuvre d'un mode de réalisation du procédé selon l'invention tel qu'illustré sur la figure. 10 1 3 8 10 15 18 Fraction de % 100,00% 88,47% 100,00% 92,23% 100,00% 100,00% vapeur Température °C 40,0 -35,0 -35,0 -69,2 -78,3 37,9 Pression bara 60,0 59,5 59,5 26,0 25,8 24,8 Débit molaire MMSCFD 220,0 220,0 23,3 171,4 195,8 195,8 CH4 Mol% 85,70% 85,70% 90,12% 90,12% 94,97% 94,97% 02 Mol% 8,30% 8,30% 7,05% 7,05% 4,80% 4,80% 03 Mol% 3,90% 3,90% 2,24% 2,24% 0,22% 0,22% iC4 Mol% 0,60% 0,60% 0,22% 0,22% 0,00% 0,00% nC4 Mol% 0,90% 0,90% 0,27% 0,27% 0,00% 0,00% iC5 Mol% 0,30% 0,30% 0,05% 0,05% 0,00% 0,00% nC5 Mol% 0,30% 0,30% 0,04% 0,04% 0,00% 0,00% N2 Mol% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% Tableau 1 15 8 20 21 22 17 24 26 Fraction de % EE 100,00% 100,00% 100,00% 0,00% 0,00% 0,03% vapeur Température °C 40,0 40,0 40,0 37,9 -76,3 -160,0 Pression bara 60,0 60,0 60,0 59,5 59,0 1,1 Débit molaire MMSCFD 195,8 5,0 190,8 24,2 5,0 5,0 0H4 Mol% 94,97% 94,97% 94,97% 10,55% 94,97% 94,97% 02 Mol% ° 4,80% 4,80% 4,80% 36,65% 4,80% 4,80% 03 Mol% 0,22% 0,22% 0,22% 33,74% 0,22% 0,22% iC4 Mol% 0,00% 0,00% 0,00% 5,43% 0,00% 0,00% nC4 Mol% 0,00% 0,00% 0,00% 8,17% 0,00% 0,00% iC5 Mol% 0,00% 0,00% 0,00% 2,73% 0,00% 0,00% nC5 Mol% 0,00% 0,00% 0,00% 2,73% 0,00% 0,00% N2 Mol% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% Tableau 2 36 37 38 32 35 34 Fraction de % 100,00% 100,00% 100,00% 100,00% 0,00% 0,00% vapeur Température °C -97,5 -164,0 -121,3 38,0 40,0 40,0 Pression bara 60,5 11,0 10,5 1,4 13,9 13,9 Débit molaire MMSCFD 19,0 19,0 19,0 3,2 1,0 6,6 0H4 Mol% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 02 Mol% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 03 Mol% 0,00% 0,00% 0,00% 100,00% 100,00% 100,00% iC4 Mol% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% nC4 Mol% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% iC5 Mol% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% nC5 Mol% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% N2 Mol% 100,00% 100,00% 100,00% 0,00% 0,00% 0,00% REVENDICATIONS1. Procédé de liquéfaction de gaz naturel (26) intégré à un procédé de production de liquides (17) extraits d'un courant d'alimentation (1) de gaz naturel comprenant les étapes suivantes : Etape a) Refroidissement d'un courant d'alimentation de gaz naturel (1) à une température Ti dans un échangeur de chaleur principal (2) : Etape b) Introduction d'au moins une partie (7) du courant issu de l'étape 10 a) dans un moyen de détente (9) afin de baisser la pression de ce courant jusqu'à une pression P1 ; Etape c) Introduction d'au moins une partie (10) du courant issu de l'étape b) dans une colonne de distillation (11) produisant, en cuve (16), un courant (17) de liquides comprenant au moins 85% mol d'hydrocarbures ayant au moins 15 deux atomes de carbone et en tête (14), un courant gazeux (15) comprenant au moins 90% mol de méthane ; Etape d) Compression d'au moins une partie (18) du courant gazeux issu de l'étape c) à une pression P2 ; Etape e) Introduction d'une partie (21) du courant issu de l'étape d) dans 20 un ou plusieurs échangeurs afin de le condenser ; caractérisé en ce qu'au moins une partie (24) du courant condensé à l'étape e) est sous-refroidie (26) par échange de chaleur avec un cycle (27) fermé de réfrigération et en ce que les refroidissements obtenus aux étapes a) et e) sont opérés par échange de chaleur avec au moins une partie du gaz issu de l'étape 25 b) et/ou au moins une partie du gaz issu de l'étape c). 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit cycle fermé de réfrigération (27) est un cycle à l'azote, 30 3. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en qu'un courant d'azote est refroidi dans un échangeur de chaleur, puis détendu afin d'extraire de la chaleur, puis introduit dans un échangeur de chaleur afin d'apporter les frigories nécessaires au sous-refroidissement d'au moins une partie du courant issu de l'étape e). 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'au moins une partie des refroidissements réalisés aux étapes a) et e) sont obtenus par vaporisation d'un courant de propane, 5 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que lors de l'étape e), préalablement à l'introduction dans ledit échangeur principal, ledit courant à refroidir est introduit dans une unité d'adsorption modulée en température (TSA) afin d'adsorber du dioxyde de carbone, ladite unité d'adsorption 10 modulée en température (TSA) étant régénérée par une partie du courant issue de l'étape c) non mise en oeuvre lors de l'étape e), 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit moyen de détente mis en oeuvre lors de l'étape b) est une turbine, 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que préalablement à l'étape d), ladite au moins une partie du courant gazeux issu de l'étape c) à comprimer à une pression P2 est réchauffée dans ledit échangeur principal, 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que P2 est supérieure ou égale à 40 bars abs, 9. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que P2 - Pi 25 est supérieure ou égale à 20 bars abs. 20