Brevet FR3087524A1 — publié le 20200424

L'invention a pour objet un procédé et ne installation de liquéfaction de gaz naturel. Les unités de liquéfaction de gaz naturel reposent pour la plupart sur des cycles de compression détente avec échange de chaleur d'un fluide appelé réfrigérant. Ce fluide peut être composé d'une seule, molécule chimique ou bien d'une combinaison de molécules afin de mieux fournir la puissance de refroidissement à la température requise. Ces procédés ont été historiquement développés pour la liquéfaction de gaz provenant de champs souterrains dans lesquels les pressions disponibles sont de l'ordre de la centaine de fois la pression atmosphérique voire plus. La liquéfaction du gaz naturel se faisait donc à haute pression ce qui permet d'avoir une liquéfaction efficace. Ainsi, liquéfier du gaz naturel à 40 bar requiert environ 30% d'énergie en moins que la liquéfaction à 30bar. Dans le document US3874185, une unité de liquéfaction de gaz naturel à un seul composé réfrigérant est décrite. Dans le document US3780535, une d'unité de liquéfaction de gaz naturel à plusieurs composés réfrigérants est décrite Aujourd'hui, le gaz naturel liquéfié (GNL) est considéré comme l'une des énergies de transition les plus matures en terme de production, car reposant sur des procédés 20 constamment améliorés depuis la seconde moitié du vingtième siècle. Le transport du GNL s'est initialement développé comme substitut au transport du gaz naturel par gazoduc (en anglais pipeline), afin d'offrir plus de flexibilité sur les sources d'approvislonnernent et de diminuer les coûts du transport sur de longues distances. Le GNL était acheminé dans des terminaux méthaniers. 25 Aujourd'hui le GNL n'est plus seulement revaporisé depuis les terminaux méthaniers pour approvisionner les réseaux de gaz naturel domestiques mais est appelé à servir de carburant pour le transport de marchandises. À cette fin, de petites unités (unités dont la production annuelle de GNL est inférieure à cinq cent mille tonnes par an) de liquéfaction de gaz naturel doivent être installées afin de diminuer les distances 30 d'approvisionnement qui sont un frein à l'essor de ce carburant. En effet le GNL étant un fluide cryegénique, une partie du liquide se vaporise durant le transport jusqu'au lieu de consommation, ce qui implique d'en minimiser les distances. Ces petites unités doivent donc être installées sur des réseaux pré-existants de gaz naturel dont les pressions peuvent être suffisamment basses (inférieures à 30bar) pour 2 que rajout d'un compresseur de gaz naturel se justifie économiquement afin de diminuer l'énergie dépensée pour le liquéfier. Cette surpression permet également; en diminuant le débit volumique, de diminuer la taille des équipements et donc de diminuer encore les coûts d'installation. Un des problèmes que se propose donc de résoudre l'invention est celui de fournir un procédé et une installation de liquéfaction de gaz naturel permettant d'améliorer les solutions existantes aux besoins identifiés précédemment. Les inventeurs de la présente invention ont alors mis au point une solution belmettant de résoudre le problèmes soulevé ci-dessus 10 La présente invention e pour objet un procédé de liquéfaction d'un courant de gaz naturel à l'aide d'un cycle fermé de réfrigération dans lequel un fluide réfridérant est comprimé dans un premier moyen de compression, refroidi. détendu et ensuite réchauffé dans un échangeur de chaleur principal par 15 échange thermique entre ledit courant de gaz naturel à liquéfier et ledit fluide réfrigérant comprenant les étapes : Etape e) Compression d'un courant d'alimentation de gaz naturel dans un deuxième moyen de compression Etape b) Introduction du courant issu de l'étape a) dans ledit échangeur principal afin de le condenser ; caractérisé en ce que ledit deuxième moyen de compression est entrainé par le même moyen cl-entrainen-ient que celui entramant ledit premier moyen de compression. Cette mutualisation des entrainements des compresseurs permet de réduire les coûts en n'ayant qu'un seul système d'entrainement, Elle permet aussi de réduire l'empreinte au sol. La présente invention a également pour objet : - Un procédé tel que décrit précédemment, caractérisé en ce qu une unité de pré-traitement est utilisée en amont de l'étape a) ou entre l'étape a) et l'étape b). 3 - Un procédé tel que décrit précédemment, caractérisé en ce que ledit moyen d'entrainement est choisi parmi une turbine à gaz, un moteur électrique, une turbine à vapeur ou un moteur à. gaz. - Un procédé tel que décrit précédemment, caractérisé en ce que lesdits moyens de compression sont entrainés à des vitesses différentes. - Un procédé tel que décrit précédemment, caractérisé en ce que ledit fluide réfrigérant est un mélange d'au moins deux gaz réfrigérants choisis parmi l'azote, le méthane, 10 l'éthane et/ou éthylène et/ou propane et/ou propylène etiou i-butane etlou n-butane, et/ou i-pentane. - Un procédé tel que décrit précédemment, caractérisé en ce que des fuites de gaz au travers des étanchéités de chacun des deux moyens de compression sont collectées 15 et recyclées à l'entrée du moyen de compression du fluide réfrigérant, - Un procédé tel que décrit précédemment, caractérisé en ce que des impuretés issues des fuites de gaz naturel. telles que le dioxyde de carbone, l'eau et les hydrocarbures lourds sont retirées par adsorption avant que les fuites de gaz ne soient recyclées à 20 l'entrée du moyen de compression du fluide réfrigérant. - Un procédé tel que décrit précédemment, caractérisé en ce qu'un circuit d'huile permet la lubrification du moyen de compression du fluide réfrigérant et un autre circuit d'huile permet la lubrification du moyen de compression, du gaz naturel. lesdits deux 25 moyens étant couplés. La présente invention a également pour objet Une installation de liquéfaction de gaz naturel comprenant 30 Un échangeur de chaleur principal ; Un système de réfrigération comprenant un premier moyen de compression d'un fluide réfrigérant, un moyen de refroidissement du fluide réfrigérant, un moyen de détente du fluide réfrigérant ; 4 - Un deuxième moyen de compression de gaz naturel ; caractérisée en ce que ledit deuxième moyen de compression est entrainé par le même moyen d'entrainement que celui entrainant ledit premier moyen de compression. Une installation telle que décrite précédemment, comprenant en outre une boîte de vitesses permettant d'adapter les vitesses de rotation des deux moyens de compression. 10 Un moyen de compression est typiquement un compresseur. Un compresseur comprend des roues de compression reliées entre elles par des pignons placés dans des paliers situés à des niveaux différents. Dans les moyens de compression mis en oeuvre dans la présente invention, de, l'huile 15 chaude est pompée depuis une bâche a huile (cuve parallélépipédique), puis refroidie avant d'être injectée au niveau des paliers dudit compresseur. L'huile permet ainsi la lubrification et l'évacuation des calories générées par la rotation des pignons. Des paliers sont également présents au niveau du moteur du compresseur. L'huile ainsi réchauffée est retournée dans la bâche à huile. Une pompe principale du circuit d'huile 20 est en générale attelée sur l'arbre principal du compresseur elle est donc directement entrainée dès que la machine se met en marche. Néanmoins pour la mise en pression du circuit avant le démarrage, une pompe auxiliaire, permet d'assurer cette fonction. Le fait de combiner les deux machines permet aussi de combiner les circuits d'huile et donc de générer des gains de coûts mais aussi d'efficacité puisqu'en général plus une 25 pompe délivre une puissance importante plus son rendement est élevé. 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 fonction de la source, le gaz naturel contient des quantités d'hydrocarbures plus lourds 30 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, CO2, H25 et d'autres composés soufrés, le mercure et autres. Ces produits non-hydrocarbures sont notamment extraits du courant de gaz naturel à liquéfier lors du passage de ce courant 5 dans une unité de pré-traitement. Le dit courant de gaz naturel étant alors pré-traité dans une unité de pré-traitement pour donner un flux de gaz pré-trarté comprenant principalement du méthane, où les composés se solidifiant potentiellement dans le processus de liquéfaction sont réduits à un niveau inférieur à 50 ppm. 5 Une unité de pré-traitement comprend par exemple deux sous-unités : La sous-unité permettant de retirer le CO2 et le 1-2S comprend une colonne d'absorption dans laquelle le flux de gaz naturel est introduit dans une colonne et lavé à contre-courant par une solution liquide d'amines et d'eau. Les molécules d'amine en solution absorbent les molécules de dioxyde de 10 carbone. En tête de colonne le flux de gaz naturel appauvri en dioxyde de carbone est envoyé vers l'unité d'adsorption. En cuve de colonne, le flux d'amine enrichi en CO2 et H2S est réchauffé et envoyé vers une colonne de régénération du flux d'amine dans laquelle l'amine est rebouillie, ce qui entraîne la désorption du dioxyde de carbone et 1125. En tète de colonne, le 15 flux riche en CO2 et H2S est envoyé à l'atmosphère. En cuve de colonne l'amine régénérée est refroidie, pompée et retournée en tête de la colonne d'absorption La sous-unité permettant de retirer l'eau, dans laquelle au moins deux bidons contenant de l'adsorbant fonctionnent de manière cyclique. L'un adsorbe 20 l'eau présente dans le gaz naturel. Le second est dans une phase de régénération comprenant à minima une phase de chauffe dans laquelle une partie du flux de gaz naturel séché et utilisé, chauffé permettant d'apporter l'énergie nécessaire à la désorption du dioxyde de carbone puis une phase de refroidissement dans lequel le flux de gaz naturel séché est utilise pour 25 refroidir l'adsorbant régénéré. Une fois le bidon régénéré refroidi, les deux bidons sont inversés. 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 30 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 sans s'y limiter, le soufre, le dioxyde de carbone, l'eau, le mercure et certains hydrocarbures lourds et aromatiques. 6 '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 fluide réfrigérant, et un ou plusieurs fiux d'alimentation. Par cycle de réfrigération on entend un système généralement en boucle fermée, dans lequel un fluide de travail est comprimé, refroidi, détendu et réchauffé, 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. 10 Avantageusement l'objet de la présente invention permet aussi la mise en commun des consoles d'huile servant à la lubrification des paliers des compresseurs. Un avantage supplémentaire, dans le cas d'un cycle de réfrigération au mélange de réfrigérants (azote et hydrocarbures linéaires ou monoenstaurés ne contenant pas plus de cinq atomes de carbone), est d'utiliser le gaz naturel fuyant au travers des 15 étanchéités du compresseur de gaz naturel pour le recycler dans le compresseur de réfrigération afin qu'if serve d'appoint en méthane au cycle de réfrigération. Le gaz naturel ainsi recyclé contient un peu d'eau et de CO2 présents dans le gaz de gazoduc. Ces molécules pouvant geler à basse température, REVENDICATIONS1. Procédé de liquéfaction d'un courant de gaz naturel à l'aide d'un cycle fermé de réfrigération dans lequel un fluide réfrigérant est comprimé dans un premier moyen de compression, refroidi, détendu et ensuite t'échauffe dans un échangeur de chaleur principal par échange thermique entre ledit courant de gaz naturel à liquéfier et ledit fluide réfrigérant comprenant les étapes Etape a) Compression d'un courant d'alimentation de gaz naturel dans un deuxième moyen de compression' Etape b) Introduction du courant issu de l'étape a) dans ledit échangeur principal afin de le condenser caractérisé en ce que ledit deuxième moyen de compression est entrainé par le même moyen déntrainement que celui attenant ledit premier moyen de compression. 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'une unité de pré-traitement est utilisée en amont de l'étape a) ou entre l'étape a) et l'étape b). 3, Procédé;selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit moyen d'entrainement est choisi parmi une turbine à gaz, un moteur électrique, une turbine à vapeur ou un moteur â gaz. 4, Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens de compression sont entrainés à des vitesses différentes. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit fluide réfrigérant est un mélange d'au moins deux gaz réfrigérants choisis parmi l'azote, le méthane, l'éthane et/ou éthylène et/ou propane et/ou propylène et/ou i-butane et/ou n-butane, et/ou i-pentane. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes; caractérisé en ce que des fuites de gaz au travers des étanchéités de chacun des deux moyens de 8 compression sont collectées et recyclées l'entrée cl ioyen de compression du fluide réfrigérant.. 7. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que des 5 impuretés issues des fuites de gaz naturel, telles que le dioxyde de carbone, l'eau et les hydrocarbures lourds sont retirées par adsorption avant que les fuites de gaz ne soient recyclées à rentrée du moyen de compression du fluide réfrigérant. 10 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un circuit d'huile permet la lubrrfication du moyen de compression du fluide réfrigérant et un autre circuit d'huile permet la lubrification du moyen de compression du gaz naturel, lesdits deux moyens étant couplés. 15 9. Installation de liquéfaction de gaz naturel comprenant Un échangeur de chaleur principal Un système de réfrigération comprenant un premier moyen de compression d'un fluide réfrigérant, un moyen de refroidissement du fluide réfrigérant, un 20 moyen de détente du fluide réfrigérant ; Un deuxième moyen de compression de gaz naturel ; caractérisée en ce que ledit deuxième moyen de compression est entrainé par le même moyen d'entrainement que celui entrainant ledit premier moyen de compression. 25 10. Installation selon la revendication précédente, comprenant en outre une boîte de vitesses permettant d'adapter les vitesses de rotation des deux moyens de compression. 30