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EP4348138A1 - Procede et installation de liquefaction de l'hydrogene - Google Patents

Procede et installation de liquefaction de l'hydrogene

Info

Publication number
EP4348138A1
EP4348138A1 EP22732602.2A EP22732602A EP4348138A1 EP 4348138 A1 EP4348138 A1 EP 4348138A1 EP 22732602 A EP22732602 A EP 22732602A EP 4348138 A1 EP4348138 A1 EP 4348138A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
refrigerant
hydrogen
refrigerant circuit
heat exchangers
compressors
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22732602.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Florian JALIA
Rémi LINOTTE
Hamza FILALI
Davide DURI
Loïc PENIN
Pierre CHABERNAUD
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ArianeGroup SAS
Engie SA
Original Assignee
ArianeGroup SAS
Engie SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ArianeGroup SAS, Engie SA filed Critical ArianeGroup SAS
Publication of EP4348138A1 publication Critical patent/EP4348138A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • F25J1/0265—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams comprising cores associated exclusively with the cooling of a refrigerant stream, e.g. for auto-refrigeration or economizer
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    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/0291—Refrigerant compression by combined gas compression and liquid pumping
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/60—Expansion by ejector or injector, e.g. "Gasstrahlpumpe", "venturi mixing", "jet pumps"
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    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/02—Bath type boiler-condenser using thermo-siphon effect, e.g. with natural or forced circulation or pool boiling, i.e. core-in-kettle heat exchanger
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    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/14—External refrigeration with work-producing gas expansion loop
    • F25J2270/16—External refrigeration with work-producing gas expansion loop with mutliple gas expansion loops of the same refrigerant

Definitions

  • This disclosure relates to the field of cryogenics, and more specifically that of the liquefaction of hydrogen.
  • the liquefaction of hydrogen requires considerable energy consumption.
  • the specific energy consumption of the hydrogen liquefaction installations currently in service is approximately 12 to 15 kWh per kilogram of liquefied hydrogen.
  • the Linde ® company at its Leuna site, operates a liquefaction plant applying a Claude cycle to hydrogen, combined with pre-cooling exploiting the vaporization of liquid nitrogen, as described by Berstad, Stang and Neksà in “Comparison criteria for large-scale hydrogen liquefaction processes”, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 34, no. 3, February 2009, pages 1560-1568.
  • This installation has a specific energy consumption of 11.9 kWh per kilogram of liquefied hydrogen.
  • Quack in “Conceptual design of a high efficiency large capacity hydrogen liquefier”, AIP Conference Proceedings, 2002, 613, p. 255-263, proposed a process comprising an initial compression of hydrogen, followed by a pre-cooling with propane, a cooling applying a two-stage inverted Brayton cycle with "nelium” (mixture of helium and neon in proportion 4:1 molar), and expansion in a rotary gas expander.
  • MR acronym for “Mixed Refrigerant”, i.e.
  • European patent application specification EP 1 580506 A1 discloses a process and installation for liquefying hydrogen with a pre-cooling step using liquefied natural gas and a cooling step using a low-temperature compressed refrigerant. in compressors also cooled by liquefied natural gas, while Howe, Skinner and Finn disclosed, in "Advanced precooling for optimized hydrogen liquefaction", H2Tech, March 2021, other hydrogen liquefaction processes and installation with a step pre-cooling by a first refrigerant and a step of cooling by a second refrigerant. Finally, other hydrogen liquefaction processes and installations have been disclosed in Japanese patent application publications JP 2004-210597 A and JP S61 -140777. Disclosure of Invention
  • a first aspect of the present disclosure relates to a process for liquefying hydrogen offering lower specific energy consumption thanks to greater efficiency of a refrigerant compression step, and this with an adjustable flow rate of liquid hydrogen.
  • the method according to this first aspect which comprises a pre-cooling step, in which a hydrogen supply flow is cooled by a first refrigerant, a cooling step, in which the flow of hydrogen feed is cooled by a second cooler, and a step of expanding the hydrogen feed flow, each of the first and second coolers is successively subjected to at least one compression and at least one expansion in order to cool it, and a liquid phase of the first refrigerant cools the second refrigerant between at least three stages of a compression of the second refrigerant so that the second refrigerant does not exceed a temperature of 150 K, preferably 113 K, during said compression of the second refrigerant.
  • the expansion of the hydrogen feed rate can in particular be a substantially adiabatic expansion.
  • substantially adiabatic we mean, in the context of the present disclosure, an expansion in which the enthalpy does not vary substantially, for example does not vary more than 5%, or even 1%, insofar as this can be obtained by conventional means such as, in particular, Joule-Thomson effect valves, thermally insulated expansion valves.
  • the first refrigerant may in particular comprise nitrogen and/or argon. Thanks to the choice of nitrogen and/or argon as the first refrigerant, it is therefore possible to carry out said compression of the second refrigerant at a particularly low temperature, which makes it possible to increase the energy efficiency of the cycle of the second refrigerant.
  • the liquid phase of the first refrigerant can cool the second refrigerant upstream of each of said at least three stages of the compression of the second refrigerant, so that the initial temperature of the second refrigerant in each of said at least three stages is substantially identical, thus facilitating the use of common elements for said at least three compression stages.
  • the second refrigerant may comprise mainly, or even solely, hydrogen.
  • the second refrigerant may nevertheless include neon and/or helium, in order to increase its density and therefore possibly allow it to be compressed in fewer stages.
  • the second refrigerant can be divided into a first stream which is subjected to expansion to cool it and a second stream which is cooled by the first flow of the second refrigerant after the expansion of the first flow of the second refrigerant.
  • the second flow of the second coolant can be subjected to expansion, in particular to substantially adiabatic expansion, after having been cooled by the first flow of the second coolant.
  • the first refrigerant can also be divided into a first flow which is subjected to an expansion to cool it and a second flow which is cooled by the first flow of the first refrigerant after the expansion of the first flow of the first refrigerant.
  • the first flow of the second coolant can also be subjected to expansion, in particular to substantially adiabatic expansion, after having been cooled by the first flow of the second coolant.
  • a second aspect of the present disclosure relates to a hydrogen liquefaction installation, which may be able to carry out the method of the first aspect and comprising for this purpose at least one hydrogen supply circuit, a first refrigerant, in particular in closed loop, containing a first refrigerant, a second refrigerant circuit, in particular in closed loop, containing a second refrigerant, a first set of heat exchangers traversed by the hydrogen supply circuit and by the first refrigerant circuit, a second set of heat exchangers traversed by the second refrigerant circuit and by the hydrogen supply circuit downstream of the first set of heat exchangers, and an expansion valve traversed by the supply circuit in hydrogen downstream of the second set of heat exchangers.
  • the term “expander” means any device capable of effecting an expansion of a fluid, whether with extraction of work, such as for example a turbine, or in a substantially adiabatic manner, such as for example an expansion valve. adiabatic.
  • upstream and downstream must be understood according to a normal direction of circulation of the fluid in each circuit.
  • the first refrigerant circuit may include one or more compressors and one or more expanders
  • the second refrigerant circuit may comprise at least three compressors and a cooling device arranged together so as to perform at least three compressions of the second refrigerant without exceeding a temperature of 150 K, preferably 113 K, and one or more expansion valves.
  • the cooling device can be configured to cool the second refrigerant in the second refrigerant circuit with a liquid phase of the first refrigerant in the first refrigerant circuit, in particular in a vessel of the first refrigerant circuit.
  • the second refrigerant circuit comprises several intermediate exchangers inserted between said at least three compressors of the second refrigerant circuit, and optionally arranged in the tank of the first refrigerant circuit, to maintain the temperature of the second refrigerant.
  • one of said intermediate exchangers can be arranged upstream of each of said at least three compressors of the second refrigerant circuit.
  • Lubricant is normally present in the bearings of volumetric compressors typically used in hydrogen liquefaction installations and can escape into the flow of refrigerant.
  • these lubricant leaks could have deleterious effects in this second refrigerant circuit, and require a device for extracting this lubricant.
  • said compressors of the second refrigerant circuit can be with magnetic bearings, in particular with active magnetic bearings.
  • they can be centrifugal compressors. They can also be electrically driven so as to be compatible with their total or partial immersion in the liquid phase of the first cooler at cryogenic temperature.
  • At least one heat exchanger of the first set or of the second set can be a catalytic exchanger, exposing the feed rate to a catalyst such as, for example, trivalent iron oxide, to effect an ortho-para catalytic conversion therein.
  • a catalyst such as, for example, trivalent iron oxide
  • the compressors of the first refrigerant circuit can be cooled by water.
  • air cooling is also possible for the compressors of the first circuit.
  • the second refrigerant circuit may comprise a branch, downstream of said compressors of the second refrigerant circuit, with a first branch comprising one or more of said expanders of the second refrigerant circuit in upstream of at least one of the heat exchangers of the second set downstream, and a second branch passing through at least one of the heat exchangers of the second set upstream of a confluence with the first branch of the second refrigerant circuit upstream of said compressors of the second refrigerant circuit.
  • the first refrigerant circuit may comprise, analogously to the second refrigerant circuit, a branch, downstream of the compressors of the first refrigerant circuit, with a first branch comprising at least one of said expanders of the first refrigerant circuit upstream of at least one of the heat exchangers of the first set of heat exchangers, and a second branch passing through at least one of the heat exchangers of the first set of heat exchangers heat upstream of a confluence with the first leg of the first refrigerant circuit upstream of the compressors of the first refrigerant circuit.
  • the installation may further comprise a third refrigerant circuit containing a third refrigerant and also passing through one or more heat exchangers of the first set of heat exchangers.
  • Figure 1 is a schematic illustration of a hydrogen liquefaction installation according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic illustration of a hydrogen liquefaction installation according to a variant of the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic illustration of a hydrogen liquefaction installation according to a second embodiment.
  • FIG. 1 illustrates a hydrogen liquefaction installation according to a specific embodiment. As illustrated, this installation may comprise a hydrogen supply circuit H, a first refrigerant circuit R1 and a second refrigerant circuit R2.
  • the hydrogen supply circuit H can pass successively through a first set of heat exchangers HX11, HX12, HX13 also crossed by the first refrigerant circuit R1, and a second set of heat exchangers HX21, HX22, HX23, HX24, HX25, HX26, also traversed by the second refrigerant circuit R2, before ending in a JTH expansion valve, for example in the form of an adiabatic expansion valve, opening into a TH phase separator with O liquid hydrogen outlet.
  • a JTH expansion valve for example in the form of an adiabatic expansion valve
  • It may also comprise a compressor of reinjection and/or ejector EJ, arranged at least upstream of the last heat exchanger HX26, and connected to the top of the phase separator TH through a recirculation pipe H1 to recover gaseous hydrogen from the phase separator TH and reinject it in the hydrogen supply circuit H upstream of the last heat exchanger HX26.
  • Each of the heat exchangers can be a catalytic exchanger comprising a catalyst, such as for example trivalent iron oxide, to perform an ortho-para conversion in a flow of hydrogen circulating in the hydrogen supply circuit H.
  • the first refrigerant circuit R1 may be a closed-loop refrigerant circuit, containing a refrigerant such as, for example, nitrogen and/or argon, and possibly comprising a plurality of compressors C1 in series , a first regulator JT 1 , for example in the form of an adiabatic expansion valve, a tank T1 , and a second regulator E1 , for example in the form of a turbine, which can be centripetal or axial.
  • a refrigerant such as, for example, nitrogen and/or argon
  • this first refrigerant circuit R1 may comprise, downstream of the compressors C1 and more precisely downstream of the first heat exchanger HX11 of the first set of heat exchangers, a branch S1 dividing the first refrigerant circuit FM into two branches FM 1 and FM 2.
  • the second expansion valve E1 can be arranged on the first branch FM 1 of the first refrigerant circuit FM downstream of the branch S1. Downstream of the second expansion valve E1, the first branch FM 1 of the first refrigerant circuit FM can pass through the second heat exchanger HX12 of the first set of heat exchangers.
  • the second branch R12 can pass through the second heat exchanger HX12 of the first set of heat exchangers.
  • the first regulator JT 1 and the tank T 1 can be arranged on this second branch R12 downstream of the second heat exchanger HX12 of the first set of heat exchangers, and the third and second heat exchangers HX13, HX12 of the first set of The heat exchangers can be traversed by this second branch R12 of the first refrigerant circuit R1 in reverse order downstream of a gas outlet from this tank T 1 which then joins the first branch R11.
  • the outlet of tank T 1 could however alternatively be a liquid outlet.
  • the first refrigerant circuit R1 Downstream of the confluence of the two branches R11 and R12, the first refrigerant circuit R1 can still pass through the first heat exchanger HX11 of the first set of heat exchangers before returning to the compressors C1.
  • C1 compressors can be water-cooled compressors. It is for example possible for this to insert intermediate heat exchangers (not shown) between the compressors CM.
  • the first FM refrigerant circuit may also comprise at least one contaminant absorber, such as water or oxygen, in the liquid phase of the first refrigerant.
  • This absorber can in particular take the form of a bed of powder to absorb the chemical species circulating in this first circuit of refrigerant FM and whose liquefaction temperature is higher than the temperature of the liquid phase in the tank T1, and be regenerable, for example by heating it.
  • this absorber can make it possible to avoid the downstream propagation of pollutants which could, by solidifying, come to block the first circuit of refrigerant FM, in particular at the level of the heat exchangers HX11, HX12, HX13 of the first set of heat exchangers , or damage the JT1 , E1 regulators and/or the C1 compressors.
  • the second refrigerant circuit R2 can be a closed-loop refrigerant circuit, containing a refrigerant such as, for example, hydrogen.
  • This second refrigerant circuit R2 may comprise a plurality of compressors C21, C22, C23, C24, a plurality of intermediate heat exchangers IC, a first expander JT2, for example in the form of an adiabatic expansion valve JT2, other expanders E21, E22 and E23, for example in the form of turbines, and two additional compressors C20a, C20b, each of which may comprise several stages.
  • the intermediate heat exchangers IC can be, as illustrated, arranged directly upstream and downstream of each of the compressors C21, C22, C23, C24 in the second refrigerant circuit R2, and partially or totally immersed in a liquid phase. of the first refrigerant in the tank T1, so as to allow compression of the second refrigerant at a cryogenic temperature, for example without exceeding 150 K, preferably 113 K, in any of these compressors C21, C22, C23 and C24.
  • An intermediate heat exchanger IC being arranged upstream of each of the compressors C21, C22, C23, and C24, the respective inlet temperatures of each of these compressors C21, C22, C23 and C24 may be substantially identical.
  • the second refrigerant circuit R2 Downstream of the compressors C21, C22, C23 and C24 and of the intermediate heat exchangers IC, the second refrigerant circuit R2 can pass through the first heat exchanger HX21 of the second set of heat exchangers.
  • a branch S2 dividing the second refrigerant circuit into a first branch R21 and a second branch R22 can be arranged downstream of the first heat exchanger HX21 of the second set of heat exchangers.
  • the E21 expander can be arranged, downstream of the branch S2, on the first branch R21 of the second refrigerant circuit R2, which can then pass through the third heat exchanger HX23 of the second set of heat exchangers, in downstream of which the regulators E22 and E23 can be arranged successively.
  • the first branch R21 can then pass through the heat exchangers HX24, HX23, HX22 and HX21 in reverse order.
  • the second branch R22 of the second refrigerant circuit R2 can pass successively through the heat exchangers HX22, HX23, HX24, HX25 of the second set of heat exchangers.
  • the JT2 expander can be arranged on the second branch R22 of the second refrigerant circuit, downstream of these heat exchangers and upstream of the last heat exchanger HX26 of the second set of heat exchangers, that the second branch R22 of the second circuit of refrigerant R2 passes through before passing through the heat exchangers HX25, HX24, HX23, HX22 and HX21 of the second set of heat exchangers in reverse order.
  • the additional compressors C20a, C20b can be arranged at the end of the second branch R22 of the second refrigerant circuit R2 to allow the flow of refrigerant from this second branch R22 of the second refrigerant circuit R2 to join downstream that of the first branch R21 of the second refrigerant circuit R2 at a confluence upstream of compressors C21, C22, C23 and C24 and intermediate heat exchangers IC.
  • a heat shield (not shown), for example cooled with liquid nitrogen, can surround at least part of the second refrigerant circuit R2 and of the second set of heat exchangers HX21, HX22, HX23, HX24, HX25, HX26 in order to limit the thermal load.
  • the second branch R22 of the second refrigerant circuit R2 may also include a buffer tank (not shown) downstream of the expander JT2 in order to absorb variations in speed.
  • this installation can implement a hydrogen liquefaction process in which a gaseous hydrogen supply flow introduced by the hydrogen supply circuit H at a pressure of, for example, 2, 1 MPa, and a temperature of, for example, 298 K, can be first cooled down to a temperature of, for example, 85 K, by the heat exchangers HX11 and HX12 of the first set of heat exchangers, then cooled further to a temperature of, for example, 82 K, by the last heat exchanger HX13 of the first set of heat exchangers.
  • a gaseous hydrogen supply flow introduced by the hydrogen supply circuit H at a pressure of, for example, 2, 1 MPa, and a temperature of, for example, 298 K can be first cooled down to a temperature of, for example, 85 K, by the heat exchangers HX11 and HX12 of the first set of heat exchangers, then cooled further to a temperature of, for example, 82 K, by the last heat exchanger HX13 of the first set of heat exchangers.
  • this HX13 heat exchanger can operate, as a catalytic exchanger, an ortho-para catalytic conversion of the feed rate for y increase the rate of para-hydrogen, for example from 25 to 48%.
  • the flow of hydrogen to be liquefied then successively passes through the heat exchangers HX21, HX22, HX23, HX24 and HX25, where it is gradually cooled to a temperature of, for example, 26 K, and sees its rate of para-hydrogen gradually increase to, for example, 98% downstream of the HX25 heat exchanger.
  • it can go, for example, from a para-hydrogen rate of 48% upstream of the HX21 heat exchanger to a rate of 58% downstream of this HX21 heat exchanger, then to a rate of 67% in downstream of the HX22 heat exchanger, 77.5% downstream of the HX23 heat exchanger, and 96% downstream of the HX24 heat exchanger.
  • the flow of hydrogen to be liquefied circulating through the supply circuit H can be further cooled, and its rate of para-hydrogen increased further up to, for example, 99%.
  • its expansion which can be substantially adiabatic, from a pressure of, for example, 2 MPa, upstream of the JTH expander to an outlet pressure of, for example, 0.2 MPa, makes it possible to further reduce its temperature. up to a temperature of, for example, 22.81 K.
  • the flow of hydrogen circulating towards the tank TH can thus be liquid, for example, up to 98%.
  • the remaining gaseous phase can be extracted from the top of the liquid hydrogen tank TH via line H1, and reinjected upstream of the last heat exchanger HX26 via ejector EJ.
  • the first refrigerant which may in particular comprise nitrogen, can be compressed by the compressors C1, with a flow rate of, for example, 11.96 kg/s, from a pressure of, for example, 0.11 MPa, at a pressure of, for example, 5 MPa, and this in a substantially isothermal manner at a temperature of, for example, 285 K. Then, this first refrigerant can be cooled down to a temperature of, for example, 200 K, in the first heat exchanger HX11 of the first set of heat exchangers. At branch S1, downstream of this first heat exchanger HX11, the first refrigerant can be divided into two streams.
  • a first flow of the first refrigerant which can comprise for example 70% of the total flow of the first refrigerant, can be directed through the first branch R11 of the first refrigerant circuit FM towards the expansion valve E1, where it can be expanded up to 'at a pressure of, for example, 0.12 MPa, so as to reduce its temperature to a temperature of, for example, 84 K, to then pass through the second heat exchanger HX12 of the first set of heat exchangers by absorbing heat.
  • a second flow of the first refrigerant which may include the remainder of the flow of the first refrigerant, may be directed, through the second branch R12 of the first refrigerant circuit, to the second heat exchanger HX12 of the first set of exchangers of heat, to be cooled there to a temperature of, for example, 85 K, to then be expanded, in particular in a substantially adiabatic manner, at the expander JT1, and thus to liquefy it at least partially by reducing its temperature there to at, say, 80K.
  • this second flow of the first refrigerant, at least partially liquid, can be received in the tank T1, downstream of which it can still cross, in reverse order, the third and second heat exchangers HX13, HX12 of the first set of heat exchangers to be reheated there before joining the first flow of the first refrigerant.
  • the first refrigerant Downstream of this confluence of the two flows of the first refrigerant, the first refrigerant can still pass through the first heat exchanger HX11 of the first set of heat exchangers to be reheated there before returning to the compressors C1 of the first refrigerant circuit.
  • the second refrigerant which can in particular be hydrogen
  • the second refrigerant can be compressed by the compressors C21, C22, C23, and C24 with a flow rate of, for example, 0.666 kg/s , from a pressure of, for example, 0.45 MPa, to a pressure of, for example, 2.94 MPa, and this without exceeding a maximum temperature of, for example, 100 K, thanks to the passage of the second refrigerant through the intermediate exchangers IC upstream and downstream of each of the compressors C21, C22, C23 and C24.
  • Each of the compressors C21, C22, C23 and C24 can be driven with a power of, for example, 140 kW.
  • the compressor C21 can rotate at a first speed of, for example, 80,000 revolutions per minute
  • the compressor C22 can rotate at a second speed of, for example, 90,000 revolutions per minute, higher than the first speed
  • the compressor C23 can rotate at a third speed of, for example, 115,000 rpm, higher than the second speed
  • the compressor C24 can rotate at a fourth speed of, for example, 125,000 rpm, higher than the third speed.
  • the first refrigerant can thus be compressed to pressures of, for example, 0.72 MPa, 1.16 MPa, 1.84 MPa and 2.96 MPa respectively downstream of compressors C21, C22, C23 and C24, reaching a temperature of, for example, 100 K downstream of each of these compressors C21, C22, C23 and C24, for then be cooled down to substantially the same initial temperature in each subsequent intermediate exchanger IC, with a pressure drop of, for example, 0.02 MPa in each intermediate exchanger IC.
  • this first refrigerant can be cooled down to a temperature of, for example, 69 K, in the first heat exchanger HX21 of the second set of heat exchangers.
  • the first refrigerant can then be split into two streams at branch S2.
  • a first flow of the second refrigerant which can comprise for example 88% of the total flow of the second refrigerant, can then be directed through the first branch R21 of the second refrigerant circuit R2 towards the expansion valve E21, where it can be expanded. to a pressure of, for example, 1.9 MPa, so as to reduce its temperature to a temperature of, for example, 60 K, to then pass through the third heat exchanger HX23 of the second set of heat exchangers. heat and be cooled there to, for example, 51 K, before being further gradually expanded to a pressure of, for example,
  • a second flow of the second refrigerant which may comprise the remainder of the flow of the second refrigerant, may be directed, through the second branch R22 of the second refrigerant circuit R2, to the second, third, fourth and fifth heat exchangers HX22, HX23, HX24, HX25 of the second set of heat exchangers, there to be successively cooled down to a temperature of, for example, 26 K, to then be expanded, in particular substantially adiabatically, down to a pressure of, for example, 0.17 MPa, at the JT2 expander, and thus reduce its temperature there to, for example, 22 K.
  • this second flow of the second refrigerant can still cross in reverse order the sixth, fifth, fourth, third, second and first heat exchangers HX26, HX25, HX24, HX23, HX22 and HX21 of the first set of heat exchangers to absorb heat therein until reaching a temperature of, for example, 80K at a pressure of, for example, 0.15 MPa.
  • the second flow can still be compressed to the same pressure as the first flow in the additional compressors C20a, C20b.
  • the additional compressor C20a can be a two-stage compressor, driven with a power of, for example, 25 kW, at a speed of, for example, 100,000 revolutions per minute, to compress this second flow to a pressure of, for example , 0.3 MPa and a temperature of, for example, 113 K
  • the additional compressor C20b can also be a two-stage compressor, driven with a power of, for example, 25 kW, at a speed of, for example , 100,000 revolutions per minute, to compress this second flow to a pressure of, for example, 0.45 MPa and a temperature of, for example, 131.5 K.
  • the refrigeration cycle applied in the second refrigerant circuit R2 is a Claude cycle at two pressures.
  • hydrogen as the second refrigerant
  • other refrigerants such as helium, or even a mixture of hydrogen and neon.
  • other substances alternatively or in addition to nitrogen as the first refrigerant such as argon, for example. All pressures mentioned by way of example in this description must be understood as absolute pressures.
  • FIG. 2 schematically illustrates a hydrogen liquefaction installation according to a variant of the first embodiment, in which the last heat exchanger HX13 of the first set of heat exchangers can be integrated into the tank T 1 of the first refrigerant circuit R1, so as to be partially or totally immersed therein in the liquid phase of the first refrigerant.
  • the remaining elements of the installation illustrated in FIG. 2 are identical or equivalent to those of the installation of FIG. 1 and therefore receive the same references therein. Its operation is also analogous.
  • Figure 3 schematically illustrates a hydrogen liquefaction installation according to a second embodiment, which may include a third refrigerant circuit R3.
  • This third refrigerant circuit R3 can be a closed loop refrigerant circuit, containing a third refrigerant.
  • This third refrigerant can be a mixed refrigerant, and in particular a mixed refrigerant comprising hydrocarbons.
  • Such a mixed refrigerant can be formed by a mixture of nitrogen, methane, ethane, propane and butane.
  • the third refrigerant circuit R3 may comprise a set of compressors C3 upstream of a first phase separator T31, which may form a first branch of the third refrigerant circuit R3, dividing it into a first branch R31, which may comprise an additional compressor C3', and a second branch R32, which may include a pump P3.
  • These two branches R31, R32 can join downstream of the compressor C3 'and the pump P3, upstream of a second phase separator T32, which can form a second branch of the third refrigerant circuit R3, dividing it into a third branch R33 and a fourth branch R34.
  • the third branch R33 may comprise a JT33 regulator, for example in the form of an adiabatic expansion valve, and cross, both upstream and downstream of this JT33 regulator, a first heat exchanger HX10 of the first set heat exchangers, which may include four heat exchangers HX10, HX11, HX12 and HX13 in this second embodiment, to then return upstream of the set of compressors C3.
  • a JT33 regulator for example in the form of an adiabatic expansion valve, and cross, both upstream and downstream of this JT33 regulator, a first heat exchanger HX10 of the first set heat exchangers, which may include four heat exchangers HX10, HX11, HX12 and HX13 in this second embodiment, to then return upstream of the set of compressors C3.
  • the fourth branch R34 can also pass through the first heat exchanger HX10 of the first set of heat exchangers, upstream of a third phase separator T33, which can form a third branch of the third refrigerant circuit R3, dividing the fourth branch R34 into a fifth branch R35 and a sixth branch R36.
  • the fifth branch R35 may comprise a JT35 expander, for example in the form of an adiabatic expansion valve, and cross, both upstream and downstream of this JT35 expander, the second heat exchanger HX11 of the first set of heat exchangers.
  • the sixth branch R36 may also include a JT36 regulator, for example in the form of an adiabatic expansion valve, and pass successively, upstream of this regulator, the second and third heat exchangers HX11, HX12 of the first set of heat exchangers, to cross them again, in reverse order, downstream of the JT36 expander, before joining the fifth branch R35.
  • the first heat exchanger HX10 of the first set of heat exchangers can still be crossed by the fourth branch R34 downstream of the confluence of the fifth and sixth branches R35, R36, upstream of a confluence of the fourth branch R34 with the third branch R33 upstream of the return to compressors C3.
  • the first refrigerant circuit R1 can be simplified, and form only a single loop passing through, downstream of the compressors C1, the first to third heat exchangers HX10, HX11, HX12 in a first direction, to then cross them in reverse order downstream of a single regulator JT 1 , which can be in the form of an adiabatic expansion valve, and of the tank T 1 , before returning to the inlet C1 compressors.
  • a single regulator JT 1 which can be in the form of an adiabatic expansion valve, and of the tank T 1 , before returning to the inlet C1 compressors.
  • a last heat exchanger HX13 of the first set of heat exchangers HX10, HX11, HX12, HX13 through which the hydrogen supply circuit H passes can be integrated into the tank T1 to be partially or totally immersed in the liquid phase of the first refrigerant.
  • the remaining elements of the installation according to this second embodiment may be identical or equivalent to those of the first embodiment and consequently receive the same marks.
  • the third refrigerant can first be compressed, in the compressors C3, for example from 0.1 MPa to 1.1 MPa.
  • a liquid phase can appear, which can be separated from the gaseous phase of the third refrigerant in the first phase separator T31 of the third refrigerant circuit R3, to be diverted to the second branch R32 of the third refrigerant circuit R3 and be pumped there by the pump P3 up to a pressure of, for example, 2.2 MPa, while that the gaseous phase can be directed through the first branch R31, to be compressed there by the additional compressor C3' up to the same pressure as the liquid phase of the second branch R32.
  • the separation of the phases and the pumping of the liquid phase by a pump, for the last increase in pressure makes it possible to limit the energy consumption for this stage.
  • the gaseous and liquid phases can be separated again in the second phase separator T32, to direct the liquid phase through the third branch R33 and the gaseous phase through the fourth branch R34.
  • the liquid fraction of the third refrigerant directed through the third branch R33 of the third refrigerant circuit R3 can first be cooled down to a temperature of, for example, 182 K, in the first heat exchanger HX10 of the first set of heat exchangers, to then be expanded, in particular in a substantially adiabatic manner, up to a pressure of, for example, 0.1 MPa, in the JT33 expansion valve of the third branch R33, before crossing the first heat exchanger HX10 of the first set of heat exchangers to absorb heat therein, and then be returned to the compressors C3.
  • the gaseous fraction of the third refrigerant directed through the fourth branch R34 of the third refrigerant circuit R3 can first also be cooled down to a temperature of, for example, 182 K, in the first heat exchanger HX10 of the first set of heat exchangers to partially condense there before arriving at the third phase separator T33, in which liquid and solid phases can again be separated to be directed, respectively, through the fifth and sixth branches R35 , R36 of the third refrigerant circuit.
  • the liquid fraction of the third refrigerant directed through the fifth branch R35 of the third refrigerant circuit R3 can be cooled down to a temperature of, for example, 115 K in the second exchanger HX11 of the first set of heat exchangers. , to then be relaxed, in particular in a substantially adiabatic manner, up to a pressure of, for example, 0.1 MPa, in the JT35 regulator of the fifth branch R35, before crossing again, in reverse order, the second and first heat exchangers HX11, HX10 from the first set of heat exchangers to absorb heat there, and then be sent back to the C3 compressors.
  • the gaseous fraction of the third refrigerant directed through the sixth branch R36 of the third refrigerant circuit R3 can be cooled down to a temperature of, for example, 82 K by crossing the second and third heat exchangers HX11, HX12 of the first set of heat exchangers, to then be expanded, in particular substantially adiabatically, up to a pressure of, for example, 0.1 MPa, in the JT36 expander of the sixth branch R36, before crossing again , in reverse order, the third, second and first heat exchangers HX12, HX11, HX10 of the first set of heat exchangers to absorb heat therein, and then be returned to the compressors C3.
  • the first refrigerant in the first refrigerant circuit R1, can be compressed, for example from 0.1 MPa to 4 MPa, in the compressors C1, and then cooled down to, for example, 90 K, crossing the first, second and third heat exchangers HX10, HX11, HX12 of the first set of heat exchangers. It can then be expanded, in particular substantially adiabatically, in the single expander JT 1 of the first refrigerant circuit R1, so as to reduce its temperature to, for example, 78 K and liquefy it at least in part. before arriving in tank T 1.
  • a gaseous fraction of the first refrigerant can leave the tank T1 to cross, in reverse order, the third, second and first heat exchangers HX12, HX11, HX10 of the first set of heat exchangers to absorb heat therein. before returning to the C1 compressors of the first refrigerant circuit.
  • the second refrigerant can circulate in a manner substantially analogous to the first embodiment, while the gaseous hydrogen introduced into the hydrogen supply circuit H can first be cooled down to at, for example, 90 K, crossing the first, second and third heat exchangers HX10, HX11 and HX12 of the first set of heat exchangers, to then be cooled down to 80 K by passing through the last heat exchanger HX13 of the first set of heat exchangers which, as in the first embodiment, may be a catalytic exchanger capable of operating, as a catalytic exchanger, an ortho-para catalytic conversion of the feed flow to increase the para-hydrogen level therein, for example from 25 to 48 %.
  • the subsequent steps of the cooling and liquefaction of the hydrogen circulating through the hydrogen supply circuit H can be analogous to those of the first embodiment.

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Abstract

Procédé de liquéfaction de l'hydrogène, comprenant au moins une étape de pré- refroidissement, dans laquelle un débit d'alimentation en hydrogène est refroidi par un premier réfrigérant, une étape de refroidissement, dans laquelle le débit d'alimentation en hydrogène est refroidi par un deuxième réfrigérant, et une étape de détente du débit d'alimentation en hydrogène. Chacun des premier et deuxième réfrigérants est successivement soumis à au moins une compression et à au moins une détente afin de le refroidir, et une phase liquide du premier réfrigérant refroidit le deuxième réfrigérant entre au moins trois étages de ladite compression pour que le deuxième réfrigérant ne dépasse pas une température de 150 K, de préférence 113 K, lors de ladite compression du deuxième réfrigérant. Une installation pour la mise en œuvre de ce procédé comprend un premier circuit de réfrigérant (R1) contenant un premier réfrigérant et un deuxième circuit de réfrigérant (R2) contenant un deuxième réfrigérant et comprenant un ou plusieurs compresseurs (C21, C22, C23) et un dispositif de refroidissement disposés ensemble, et un ou plusieurs détendeurs (JT2, E21, E22, E23). Le dispositif de refroidissement est configuré pour refroidir le deuxième réfrigérant dans le deuxième circuit de réfrigérant (R2) avec une phase liquide du premier réfrigérant dans le premier circuit de réfrigérant (R1)

Description

Description
Titre de l'invention : Procédé et installation de liquéfaction de l'hydrogène
Domaine Technique
[0001] La présente divulgation concerne le domaine de la cryogénie, et plus spécifiquement celui de la liquéfaction de l’hydrogène.
Technique antérieure
[0002] Afin de limiter les émissions de gaz à effet de serre, l’hydrogène, obtenu de préférence en utilisant des sources d’énergie non-carbonées, est de plus en plus pris en considération en tant que vecteur énergétique. Or, pour obtenir une densité énergétique qui lui permette de rivaliser avec les hydrocarbures, en particulier pour les applications de transport, il est généralement préféré de le transporter et stocker sous forme liquide.
[0003] La liquéfaction de l’hydrogène exige toutefois une consommation énergétique considérable. Ainsi la consommation énergétique spécifique des installations de liquéfaction de l’hydrogène actuellement en service est d’environ 12 à 15 kWh par kilogramme d’hydrogène liquéfié. Par exemple, la société Linde®, sur son site de Leuna, exploite une installation de liquéfaction appliquant un cycle de Claude à l’hydrogène, combiné avec un pré-refroidissement exploitant la vaporisation de l’azote liquide, comme décrit par Berstad, Stang et Neksà dans « Comparison criteria for large-scale hydrogen liquéfaction processes », International Journal of Hydrogen Energy, vol. 34, no. 3, février 2009, pages 1560-1568. Cette installation a une consommation énergétique spécifique de 11 ,9 kWh par kilogramme d’hydrogène liquéfié.
[0004] Plusieurs alternatives ont été proposées pour réduire le coût et la consommation énergétique de la liquéfaction de l’hydrogène. Ainsi, dans « Large scale hydrogen liquéfaction in combination with LNG re-gasification », Proceedings of the 16th World Hydrogen Energy Conférence 2006, p. 3326- 3333, Kuendig, Lorhlein, Kramer et Huijsmans, ont proposé de remplacer, en tant que source de froid, la vaporisation de l’azote liquide par celle du gaz naturel liquéfié, obtenant ainsi une synergie avec les processus nécessitant le gaz naturel à l’état gazeux. D’autres auteurs ont proposé des alternatives au cycle de Claude à l’hydrogène. Ainsi, Matsuda et Nagami ont proposé, dans « Study of large hydrogen liquéfaction process » Hydrogen Energy, 1997, p. 175, d’appliquer le cycle de Brayton avec de l’hélium, voire même du néon comme réfrigérant. Le cycle de Brayton à l’hélium était également proposé par Kuz’menko, Morkovkin et Gurov dans « Concept of building medium-capacity hydrogen liquefiers with hélium réfrigération cycle », Chemical and Petroleum Engineering, 2004, 40(1/2), p. 94-98. Toutefois, le cycle de Brayton à l’hélium ne se prête pas bien à une exploitation à grande échelle. Pour cette raison, Valenti et Macchi ont proposé, dans « Proposai of an innovative, high-efficiency, large-scale hydrogen liquéfier », International Journal of Hydrogen Energy, 2008, 33(12), p. 3116-3121 , un procédé appliquant quatre cycles de Joule-Brayton en cascade. En pratique, l’efficience énergétique de ce procédé ne semble toutefois pas garantie.
[0005] Quack, dans « Conceptual design of a high efficiency large capacity hydrogen liquéfier », AIP Conférence Proceedings, 2002, 613, p. 255-263, a proposé un procédé comprenant une compression initiale de l’hydrogène, suivie par un pré refroidissement au propane, un refroidissement appliquant un cycle de Brayton inversé à deux étages au « nélium » (mélange d’hélium et de néon à proportion 4 : 1 molaire), et une détente dans un détendeur rotatif de gaz. Dans le cadre du projet européen IdealHY un procédé de liquéfaction de l’hydrogène a été conçu comprenant un pré-refroidissement au MR (acronyme anglais de « Mixed Réfrigérant », c’est-à-dire « réfrigérant mixte », désignant un mélange comprenant de l’azote et des hydrocarbures), suivi d’un refroidissement au « nélium » et d’une liquéfaction par détente, tandis que Krasae-in a décrit, dans « Optimal operation of a large-scale liquid hydrogen plant utilizing mixed fluid réfrigération System », International Journal of Hydrogen Energy, 2014, 39(13), p. 7015-7029, un procédé de liquéfaction de l’hydrogène comprenant un pré refroidissement au MR et refroidissement appliquant une cascade de cycles de Joule-Brayton à l’hydrogène, et permettant théoriquement d’obtenir une consommation énergétique spécifique de seulement 5,35 kWh par kilogramme d’hydrogène liquéfié pour une production à grande échelle de 100 tonnes métriques par jour.
[0006] Le fascicule de demande de brevet européen EP 1 580506 A1 divulguait un procédé et une installation de liquéfaction de l’hydrogène avec une étape de pré- refroidissement par du gaz naturel liquéfié et une étape de refroidissement par un réfrigérant comprimé à basse température dans des compresseurs refroidis aussi par le gaz naturel liquéfié, tandis que Howe, Skinner et Finn divulguaient, dans « Advanced precooling for optimized hydrogen liquéfaction », H2Tech, Mars 2021 , d’autres procédés et installation de liquéfaction de l’hydrogène avec une étape de pré-refroidissement par un premier réfrigérant et une étape de refroidissement par un deuxième réfrigérant. Finalement, d’autres procédés et installations de liquéfaction d’hydrogène ont été divulgués dans les publications de demandes de brevets japonais JP 2004-210597 A et JP S61 -140777. Exposé de l’invention
[0007] Un premier aspect de la présente divulgation se rapporte à un procédé de liquéfaction de l’hydrogène offrant une moindre consommation énergétique spécifique grâce à une plus grande efficience d’une étape de compression de réfrigérant, et cela avec un débit réglable d’hydrogène liquide. [0008] Pour cela, dans le procédé suivant ce premier aspect, qui comprend une étape de pré-refroidissement, dans laquelle un débit d’alimentation en hydrogène est refroidi par un premier réfrigérant, une étape de refroidissement, dans laquelle le débit d’alimentation en hydrogène est refroidi par un deuxième réfrigérant, et une étape de détente du débit d’alimentation en hydrogène, chacun des premier et deuxième réfrigérants est successivement soumis à au moins une compression et à au moins une détente afin de le refroidir, et une phase liquide du premier réfrigérant refroidit le deuxième réfrigérant entre au moins trois étages d’une compression du deuxième réfrigérant pour que le deuxième réfrigérant ne dépasse pas une température de 150 K, de préférence 113 K, lors de ladite compression du deuxième réfrigérant.
[0009] La détente du débit d’alimentation en hydrogène peut en particulier être une détente sensiblement adiabatique. Par « sensiblement adiabatique » on entend, dans le contexte de la présente divulgation, une détente dans laquelle l’enthalpie ne varie pas sensiblement, par exemple ne varie pas plus de 5%, voire même 1 %, dans la mesure où ceci peut être obtenu par des moyens conventionnels tels que, notamment, les vannes à effet Joule-Thomson, vannes de détente thermiquement isolées.
[0010] Grâce à la division de la compression du deuxième réfrigérant entre au moins trois étages successifs et à l’utilisation du premier réfrigérant pour refroidir le deuxième réfrigérant entre au moins trois étages de cette compression, il est ainsi possible de maintenir la température du deuxième réfrigérant en dessous du seuil de 150 K, voire même 113 K, pour ainsi atteindre un haut degré d’efficience énergétique dans l’étape de refroidissement du débit d’alimentation en hydrogène par le deuxième réfrigérant.
[0011] Le premier réfrigérant peut notamment comprendre de l’azote et/ou de l’argon. Grâce au choix de l’azote et/ou de l’argon comme premier réfrigérant, il est donc possible d’effectuer ladite compression du deuxième réfrigérant à une température particulièrement basse, ce qui permet d’augmenter l’efficience énergétique du cycle du deuxième réfrigérant.
[0012] La phase liquide du premier réfrigérant peut refroidir le deuxième réfrigérant en amont de chacun desdits au moins trois étages de la compression du deuxième réfrigérant, de manière à ce que la température initiale du deuxième réfrigérant dans chacun desdits au moins trois étages soit sensiblement identique, facilitant ainsi l’utilisation d’éléments communs pour lesdits au moins trois étages de compression.
[0013] Le deuxième réfrigérant peut comprendre principalement, voire uniquement, de l’hydrogène. Alternativement ou en complément à l’hydrogène, le deuxième réfrigérant peut néanmoins comprendre du néon et/ou de l’hélium, afin d’en augmenter la densité et donc éventuellement permettre d’effectuer sa compression en moins d’étages.
[0014] Afin de permettre un refroidissement graduel du débit d’alimentation en hydrogène sur une large plage de températures, le deuxième réfrigérant peut être divisé en un premier flux qui soit soumis à une détente pour le refroidir et un deuxième flux qui soit refroidi par le premier flux du deuxième réfrigérant après la détente du premier flux du deuxième réfrigérant. Le deuxième flux du deuxième réfrigérant peut être soumis à une détente, en particulier à une détente sensiblement adiabatique, après avoir été refroidi par le premier flux du deuxième réfrigérant. [0015] De manière analogue et pour les mêmes raisons, le premier réfrigérant peut aussi être divisé en un premier flux qui soit soumis à une détente pour le refroidir et un deuxième flux qui soit refroidi par le premier flux du premier réfrigérant après la détente du premier flux du premier réfrigérant. Le premier flux du deuxième réfrigérant peut aussi être soumis à une détente, en particulier à une détente sensiblement adiabatique, après avoir été refroidi par le premier flux du deuxième réfrigérant.
[0016] Afin d’améliorer l’efficience du pré-refroidissement, le débit d’alimentation en hydrogène peut être refroidi aussi par un troisième réfrigérant pendant l’étape de pré-refroidissement. [0017] Un deuxième aspect de la présente divulgation se rapporte à une installation de liquéfaction de l’hydrogène, pouvant être apte à effectuer le procédé du premier aspect et comprenant pour cela au moins un circuit d’alimentation en hydrogène, un premier circuit de réfrigérant, en particulier en boucle fermée, contenant un premier réfrigérant, un deuxième circuit de réfrigérant, en particulier en boucle fermée, contenant un deuxième réfrigérant, un premier ensemble d’échangeurs de chaleur traversés par le circuit d’alimentation en hydrogène et par le premier circuit de réfrigérant, un deuxième ensemble d’échangeurs de chaleur traversés par le deuxième circuit de réfrigérant et par le circuit d’alimentation en hydrogène en aval du premier ensemble d’échangeurs de chaleur, et un détendeur traversé par le circuit d’alimentation en hydrogène en aval du deuxième ensemble d’échangeurs de chaleur. Dans le présent contexte, on entend par « détendeur » tout dispositif apte à effectuer une détente d’un fluide, que ce soit avec extraction de travail, comme par exemple une turbine, ou de manière sensiblement adiabatique, comme par exemple une vanne de détente adiabatique. Les termes « amont » et « aval » doivent être compris suivant un sens de circulation normal du fluide dans chaque circuit. [0018] Afin d’atteindre un haut degré d’efficience énergétique dans le refroidissement d’un débit d’alimentation en hydrogène, le premier circuit de réfrigérant peut comprendre un ou plusieurs compresseurs et un ou plusieurs détendeurs, et le deuxième circuit de réfrigérant peut comprendre au moins trois compresseurs et un dispositif de refroidissement disposés ensemble de manière à effectuer au moins trois compressions du deuxième réfrigérant sans dépasser une température de 150 K, de préférence 113 K, et un ou plusieurs détendeurs. Le dispositif de refroidissement peut être configuré pour refroidir le deuxième réfrigérant dans le deuxième circuit de réfrigérant avec une phase liquide du premier réfrigérant dans le premier circuit de réfrigérant, en particulier dans une cuve du premier circuit de réfrigérant. En particulier, le deuxième circuit de réfrigérant comprend plusieurs échangeurs intermédiaires intercalés entre lesdits au moins trois compresseurs du deuxième circuit de réfrigérant, et éventuellement disposés dans la cuve du premier circuit de réfrigérant, pour maintenir la température du deuxième réfrigérant. Afin d’obtenir une température d’admission sensiblement identique pour chacun desdits au moins trois compresseurs du deuxième circuit de réfrigérant, et ainsi faciliter l’utilisation d’éléments sensiblement identiques pour chacun desdits au moins trois compresseurs du deuxième circuit de réfrigérant, un desdits échangeurs intermédiaires peut être disposé en amont de chacun desdits au moins trois compresseurs du deuxième circuit de réfrigérant.
[0019] Du lubrifiant est normalement présent dans les paliers des compresseurs volumétriques typiquement utilisés dans les installations de liquéfaction de l’hydrogène et peut s’échapper vers le flux de réfrigérant. Or, aux températures cryogéniques auxquelles les compresseurs du deuxième circuit de réfrigérant fonctionnent, ces fuites de lubrifiant pourraient avoir des effets délétères dans ce deuxième circuit de réfrigérant, et exiger un dispositif d’extraction de ce lubrifiant. Afin d’éviter cela, lesdits compresseurs du deuxième circuit de réfrigérant peuvent être à paliers magnétiques, en particulier à paliers magnétiques actifs. Par ailleurs, pour réduire l’usure, fréquemment associée aux compresseurs volumétriques, ils peuvent être des compresseurs centrifuges. Ils peuvent par ailleurs être à entraînement électrique de manière à être compatibles avec leur immersion totale ou partielle dans la phase liquide du premier réfrigérant à température cryogénique.
[0020] Afin d’assurer la stabilité isomérique, en aval de chaque échangeur de chaleur, de l’hydrogène du débit d’alimentation, au moins un échangeur de chaleur du premier ensemble ou du deuxième ensemble peut être un échangeur catalytique, exposant le débit d’alimentation à un catalyseur tel que, par exemple, de l’oxyde de fer trivalent, pour y effectuer une conversion catalytique ortho-para.
[0021] Pour maintenir la température du premier réfrigérant lors de sa compression, et ainsi assurer une compression sensiblement isotherme, les compresseurs du premier circuit de réfrigérant peuvent être refroidis par eau. Un refroidissement par air est toutefois aussi envisageable pour les compresseurs du premier circuit.
[0022] Afin d’assurer un refroidissement graduel et énergétiquement efficient, le deuxième circuit de réfrigérant peut comporter un embranchement, en aval desdits compresseurs du deuxième circuit de réfrigérant, avec une première branche comportant un ou plusieurs desdits détendeurs du deuxième circuit de réfrigérant en amont d’au moins un des échangeurs de chaleur du deuxième ensemble en aval, et une deuxième branche traversant au moins un des échangeurs de chaleur du deuxième ensemble en amont d’une confluence avec la première branche du deuxième circuit de réfrigérant en amont desdits compresseurs du deuxième circuit de réfrigérant.
[0023] Afin d’assurer un pré-refroidissement graduel et énergétiquement efficient, le premier circuit de réfrigérant peut comporter, de manière analogue au deuxième circuit de réfrigérant, un embranchement, en aval des compresseurs du premier circuit de réfrigérant, avec une première branche comportant au moins un desdits détendeurs du premier circuit de réfrigérant en amont d’au moins un des échangeurs de chaleur du premier ensemble d’échangeurs de chaleur, et une deuxième branche traversant au moins un des échangeurs de chaleur du premier ensemble d’échangeurs de chaleur en amont d’une confluence avec la première branche du premier circuit de réfrigérant en amont des compresseurs du premier circuit de réfrigérant. [0024] L’installation peut comporter en outre un troisième circuit de réfrigérant contenant un troisième réfrigérant et traversant aussi un ou plusieurs échangeurs de chaleur du premier ensemble d’échangeurs de chaleur.
Brève description des dessins
[0025] La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :
[0026] [Fig. 1] La figure 1 est une illustration schématique d’une installation de liquéfaction de l’hydrogène suivant un premier mode de réalisation.
[0027] [Fig. 2] La figure 2 est une illustration schématique d’une installation de liquéfaction de l’hydrogène suivant une variante du premier mode de réalisation.
[0028] [Fig. 3] La figure 3 est une illustration schématique d’une installation de liquéfaction de l’hydrogène suivant un deuxième mode de réalisation.
Description des modes de réalisation
[0029] L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. Les valeurs de température et pression indiquées, à titre d’exemples, dans cette description détaillée sont des valeurs absolues.
[0030] La figure 1 illustre une installation de liquéfaction de l’hydrogène suivant un mode de réalisation spécifique. Comme illustré, cette installation peut comprendre un circuit d’alimentation en hydrogène H, un premier circuit de réfrigérant R1 et un deuxième circuit de réfrigérant R2.
[0031] A partir d’une admission I, le circuit d’alimentation en hydrogène H peut traverser successivement un premier ensemble d’échangeurs de chaleur HX11 ,HX12,HX13 traversés également par le premier circuit de réfrigérant R1 , et un deuxième ensemble d’échangeurs de chaleur HX21 , HX22, HX23, HX24, HX25, HX26, traversés également par le deuxième circuit de réfrigérant R2, avant d’aboutir dans un détendeur JTH, par exemple sous forme d’une vanne de détente adiabatique, débouchant dans un séparateur de phase TH avec une sortie O d’hydrogène liquide. Il peut comporter en outre un compresseur de réinjection et/ou éjecteur EJ, disposé en amont au moins du dernier échangeur de chaleur HX26, et connecté au ciel du séparateur de phase TH à travers un conduit de recirculation H1 pour récupérer de l’hydrogène gazeux du séparateur de phase TH et le réinjecter dans le circuit d’alimentation en hydrogène H en amont du dernier échangeur de chaleur HX26. Chacun des échangeurs de chaleur peut être un échangeur catalytique comportant un catalyseur, tel que par exemple de l’oxyde de fer trivalent, pour opérer une conversion ortho-para dans un flux d’hydrogène circulant dans le circuit d’alimentation en hydrogène H.
[0032] Le premier circuit de réfrigérant R1 peut être un circuit de réfrigérant en boucle fermée, contenant un réfrigérant tel que, par exemple, de l’azote et/ou de l’argon, et pouvant comprendre une pluralité de compresseurs C1 en série, un premier détendeur JT 1 , par exemple sous la forme d’une vanne de détente adiabatique, une cuve T1 , et un deuxième détendeur E1 , par exemple sous la forme d’une turbine, pouvant être centripète ou axiale.
[0033] Comme illustré, ce premier circuit de réfrigérant R1 peut comprendre, en aval des compresseurs C1 et plus précisément en aval du premier échangeur de chaleur HX11 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur, un embranchement S1 divisant le premier circuit de réfrigérant FM en deux branches FM 1 et FM 2. Le deuxième détendeur E1 peut être disposé sur la première branche FM 1 du premier circuit de réfrigérant FM en aval de l’embranchement S1. En aval du deuxième détendeur E1 , la première branche FM 1 du premier circuit de réfrigérant FM peut traverser le deuxième échangeur de chaleur HX12 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur.
[0034] A partir de l’embranchement S1 , la deuxième branche R12 peut traverser le deuxième échangeur de chaleur HX12 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur. Le premier détendeur JT 1 et la cuve T 1 peuvent être disposés sur cette deuxième branche R12 en aval du deuxième échangeur de chaleur HX12 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur, et les troisième et deuxième échangeurs de chaleur HX13, HX12 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur peuvent être traversés par cette deuxième branche R12 du premier circuit de réfrigérant R1 en ordre inversé en aval d’une sortie de gaz de cette cuve T 1 qui rejoint ensuite la première branche R11. La sortie de la cuve T 1 pourrait toutefois être alternativement une sortie de liquide. [0035] En aval de la confluence des deux branches R11 et R12, le premier circuit de réfrigérant R1 peut encore traverser le premier échangeur de chaleur HX11 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur avant de retourner aux compresseurs C1. Les compresseurs C1 peuvent être des compresseurs refroidis par eau. Il est par exemple envisageable pour cela d’intercaler des échangeurs de chaleur intermédiaires (non illustrés) entre les compresseurs CM .
[0036] Le premier circuit de réfrigérant FM peut par ailleurs comprendre au moins un absorbeur de contaminants, tels que l’eau ou l’oxygène, dans la phase liquide du premier réfrigérant. Cet absorbeur peut notamment prendre la forme d’un lit de poudre pour absorber les espèces chimiques circulant dans ce premier circuit de réfrigérant FM et dont la température de liquéfaction soit supérieure à la température de la phase liquide dans la cuve T1 , et être régénérable, par exemple en le chauffant. Ainsi, cet absorbeur peut permettre d’éviter la propagation en aval de polluants qui pourraient, en se solidifiant, venir bloquer premier circuit de réfrigérant FM , notamment au niveau des échangeurs de chaleur HX11 , HX12, HX13 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur, ou venir endommager les détendeurs JT1 , E1 et/ou les compresseurs C1.
[0037] Le deuxième circuit de réfrigérant R2 peut être un circuit de réfrigérant en boucle fermée, contenant un réfrigérant tel que, par exemple, de l’hydrogène. Ce deuxième circuit de réfrigérant R2 peut comprendre une pluralité de compresseurs C21 , C22, C23, C24 une pluralité d’échangeurs de chaleur intermédiaires IC, un premier détendeur JT2, par exemple sous forme d’une vanne de détente adiabatique JT2, d’autres détendeurs E21 , E22 et E23, par exemple sous forme de turbines, et deux compresseurs supplémentaires C20a, C20b, pouvant chacun comprendre plusieurs étages.
[0038] Les échangeurs de chaleur intermédiaires IC peuvent être, comme illustré, disposés directement en amont et en aval de chacun des compresseurs C21 , C22, C23, C24 dans le deuxième circuit de réfrigérant R2, et immergés partiellement ou totalement dans une phase liquide du premier réfrigérant dans la cuve T1 , de manière à permettre une compression du deuxième réfrigérant à une température cryogénique, par exemple sans dépasser 150 K, de préférence 113 K, dans aucun de ces compresseurs C21 , C22, C23 et C24. Un échangeur de chaleur intermédiaire IC étant disposé en amont de chacun des compresseurs C21 , C22, C23, et C24, les températures d’admission respectives de chacun de ces compresseurs C21 , C22, C23 et C24 pourront être sensiblement identiques. En aval des compresseurs C21 , C22, C23 et C24 et des échangeurs de chaleur intermédiaires IC, le deuxième circuit de réfrigérant R2 peut traverser le premier échangeur de chaleur HX21 du deuxième ensemble d’échangeurs de chaleur. Dans le deuxième circuit de réfrigérant R2, un embranchement S2 divisant le deuxième circuit de réfrigérant en une première branche R21 et une deuxième branche R22 peut être disposé en aval du premier échangeur de chaleur HX21 du deuxième ensemble d’échangeurs de chaleur. [0039] Le détendeur E21 peut être disposé, en aval de l’embranchement S2, sur la première branche R21 du deuxième circuit de réfrigérant R2, qui peut traverser ensuite le troisième échangeur de chaleur HX23 du deuxième ensemble d’échangeurs de chaleur, en aval duquel peuvent être successivement disposés les détendeurs E22 et E23. La première branche R21 peut alors traverser les échangeurs de chaleur HX24, HX23, HX22 et HX21 en ordre inversé.
[0040] En aval de l’embranchement S2, la deuxième branche R22 du deuxième circuit de réfrigérant R2 peut traverser successivement les échangeurs de chaleur HX22, HX23, HX24, HX25 du deuxième ensemble d’échangeurs de chaleur. Le détendeur JT2 peut être disposé sur la deuxième branche R22 du deuxième circuit de réfrigérant, en aval de ces échangeurs de chaleur et en amont du dernier échangeur de chaleur HX26 du deuxième ensemble d’échangeurs de chaleurs, que la deuxième branche R22 du deuxième circuit de réfrigérant R2 traverse avant de traverser encore les échangeurs de chaleur HX25, HX24, HX23, HX22 et HX21 du deuxième ensemble d’échangeurs de chaleur en ordre inverse. Les compresseurs supplémentaires C20a, C20b peuvent être disposés au bout de la deuxième branche R22 du deuxième circuit de réfrigérant R2 pour permettre au flux de réfrigérant de cette deuxième branche R22 du deuxième circuit de réfrigérant R2 de rejoindre en aval celui de la première branche R21 du deuxième circuit de réfrigérant R2 à une confluence en amont des compresseurs C21 , C22, C23 et C24 et échangeurs de chaleur intermédiaires IC.
[0041] Un écran thermique (non illustré), par exemple refroidi à l’azote liquide, peut entourer au moins une partie du deuxième circuit de réfrigérant R2 et du deuxième ensemble d’échangeurs de chaleur HX21 , HX22, HX23, HX24, HX25, HX26 afin d’en limiter la charge thermique. La deuxième branche R22 du deuxième circuit de réfrigérant R2 peut aussi comprendre un réservoir tampon (non illustré) en aval du détendeur JT2 afin d’absorber les variations de régime.
[0042] En fonctionnement, cette installation peut mettre en oeuvre un procédé de liquéfaction de l’hydrogène dans lequel un débit d’alimentation en hydrogène gazeux introduit par le circuit d’alimentation en hydrogène H à une pression de, par exemple, 2,1 MPa, et une température de, par exemple, 298 K, peut être d’abord refroidi jusqu’à une température de, par exemple, 85 K, par les échangeurs de chaleur HX11 et HX12 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur, puis encore refroidi jusqu’à une température de, par exemple, 82 K, par le dernier échangeur de chaleur HX13 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur. En outre, afin d’assurer la stabilité isomérique de l’hydrogène à cette température et éviter son réchauffement ultérieur, cet échangeur de chaleur HX13 peut opérer, en tant qu’échangeur catalytique, une conversion catalytique ortho-para du débit d’alimentation pour y augmenter le taux de para-hydrogène par exemple de 25 à 48%.
[0043] Le flux d’hydrogène à liquéfier traverse ensuite successivement les échangeurs de chaleur HX21 , HX22, HX23, HX24 et HX25, où il est progressivement refroidi jusqu’à une température de, par exemple, 26 K, et voit son taux de para-hydrogène progressivement augmenter jusqu’à, par exemple, 98 % en aval de l’échangeur de chaleur HX25. Il peut pour cela passer par exemple d’un taux de para-hydrogène de 48 % en amont de l’échangeur de chaleur HX21 à un taux de 58% en aval de cet échangeur de chaleur HX21 , puis à un taux de 67% en aval de l’échangeur de chaleur HX22, 77,5% en aval de l’échangeur de chaleur HX23, et 96% en aval de l’échangeur de chaleur HX24.
[0044] Dans le dernier échangeur de chaleur HX26, le flux d’hydrogène à liquéfier circulant par le circuit d’alimentation H peut être encore refroidi, et son taux de para-hydrogène augmenté encore jusqu’à, par exemple, 99 %. Finalement, sa détente, pouvant être sensiblement adiabatique, d’une pression de, par exemple, 2 MPa, en amont de du détendeur JTH à une pression de sortie de, par exemple, 0,2 MPa, permet d’encore réduire sa température jusqu’à une température de, par exemple, 22,81 K. En aval du détendeur JTH, le flux d’hydrogène circulant vers la cuve TH peut ainsi être liquide, par exemple, jusqu’à 98%. La phase gazeuse restante peut être extraite du ciel de la cuve TH d’hydrogène liquide par le conduit H1 , et réinjectée en amont du dernier échangeur de chaleur HX26 par l’éjecteur EJ.
[0045] Dans le premier circuit de réfrigérant R1 , le premier réfrigérant, qui peut notamment comprendre de l’azote, peut être comprimé par les compresseurs C1 , avec un débit de, par exemple, 11 ,96 kg/s, d’une pression de, par exemple, 0,11 MPa, à une pression de, par exemple, 5 MPa, et cela de manière sensiblement isotherme à une température de, par exemple, 285 K. Ensuite, ce premier réfrigérant peut être refroidi jusqu’à une température de, par exemple, 200 K, dans le premier échangeur de chaleur HX11 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur. A l’embranchement S1 , en aval de ce premier échangeur de chaleur HX11 , le premier réfrigérant peut être divisé en deux flux.
[0046] Un premier flux du premier réfrigérant, qui peut comprendre par exemple 70 % du débit total du premier réfrigérant, peut être dirigé à travers la première branche R11 du premier circuit de réfrigérant FM vers le détendeur E1 , où il peut être détendu jusqu’à une pression de, par exemple, 0,12 MPa, de manière à réduire sa température jusqu’à une température de, par exemple, 84 K, pour ensuite traverser le deuxième échangeur de chaleur HX12 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur en y absorbant de la chaleur.
[0047] Un deuxième flux du premier réfrigérant, qui peut comprendre le restant du débit du premier réfrigérant, peut être dirigé, à travers la deuxième branche R12 du premier circuit de réfrigérant, vers le deuxième échangeur de chaleur HX12 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur, pour y être refroidi jusqu’à une température de, par exemple, 85 K, pour ensuite être détendu, en particulier de manière sensiblement adiabatique, au détendeur JT1 , et ainsi le liquéfier au moins partiellement en y réduisant sa température jusqu’à, par exemple, 80K. En aval du détendeur JT1 , ce deuxième flux du premier réfrigérant, au moins partiellement liquide, peut être reçu dans la cuve T1 , en aval de laquelle il peut encore traverser, en ordre inversé, les troisième et deuxième échangeurs de chaleur HX13, HX12 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur pour y être réchauffé avant de rejoindre le premier flux du premier réfrigérant. En aval de cette confluence des deux flux du premier réfrigérant, le premier réfrigérant peut encore traverser le premier échangeur de chaleur HX11 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur pour y être réchauffé avant de retourner aux compresseurs C1 du premier circuit de réfrigérant.
[0048] Dans le deuxième circuit de réfrigérant R2, le deuxième réfrigérant, qui peut notamment être de l’hydrogène, peut être comprimé par les compresseurs C21 , C22, C23, et C24 avec un débit de, par exemple, 0,666 kg/s, d’une pression de, par exemple, 0,45 MPa, à une pression de, par exemple, 2,94 MPa, et cela sans dépasser une température maximale de, par exemple, 100 K, grâce au passage du deuxième réfrigérant par les échangeurs intermédiaires IC en amont et en aval de chacun des compresseurs C21 , C22, C23 et C24. Chacun des compresseurs C21 , C22, C23 et C24 peut être entraîné avec une puissance de, par exemple, 140 kW. Les vitesses respectives des compresseurs C21 , C22,
C23 et C24 peuvent être montantes en direction de l’écoulement du deuxième réfrigérant. Ainsi, le compresseur C21 peut tourner à une première vitesse de, par exemple, 80000 tours par minute, le compresseur C22 peut tourner à une deuxième vitesse de, par exemple, 90000 tours par minute, supérieure à la première vitesse, le compresseur C23 peut tourner à une troisième vitesse de, par exemple, 115000 tours par minute, supérieure à la deuxième vitesse, et le compresseur C24 peut tourner à une quatrième vitesse de, par exemple, 125000 tours par minute, supérieure à la troisième vitesse. Après avoir été refroidi jusqu’à une température initiale de, par exemple, 82 K, dans le premier échangeur intermédiaire IC, le premier réfrigérant peut ainsi être comprimé jusqu’à des pressions de, par exemple, 0,72 MPa, 1 ,16 MPa, 1 ,84 MPa et 2,96 MPa respectivement en aval des compresseurs C21 , C22, C23 et C24, atteignant une température de, par exemple, 100 K en aval de chacun de ces compresseurs C21 , C22, C23 et C24, pour être ensuite refroidi jusqu’à sensiblement la même température initiale dans chaque échangeur intermédiaire IC subséquent, avec une perte de charge de, par exemple, 0,02 MPa dans chaque échangeur intermédiaire IC.
[0049] Ensuite, ce premier réfrigérant peut être refroidi jusqu’à une température de, par exemple, 69 K, dans le premier échangeur de chaleur HX21 du deuxième ensemble d’échangeurs de chaleur. Le premier réfrigérant peut alors être divisé en deux flux à l’embranchement S2. [0050] Un premier flux du deuxième réfrigérant, qui peut comprendre par exemple 88 % du débit total du deuxième réfrigérant, peut alors être dirigé à travers la première branche R21 du deuxième circuit de réfrigérant R2 vers le détendeur E21 , où il peut être détendu jusqu’à une pression de, par exemple, 1 ,9 MPa, de manière à réduire sa température jusqu’à une température de, par exemple, 60 K, pour ensuite traverser le troisième échangeur de chaleur HX23 du deuxième ensemble d’échangeurs de chaleur et y être refroidi à, par exemple, 51 K, avant d’être encore progressivement détendu jusqu’à une pression de, par exemple,
0,5 MPa, aux détendeurs E22 et E23, de manière à réduire encore sa température jusqu’à, par exemple 31 ,5 K. Il peut ensuite traverser encore les quatrième, troisième, deuxième et premier échangeurs de chaleur HX24, HX23, HX22 et HX21 en ordre inversé pour y absorber de la chaleur jusqu’à atteindre une température de, par exemple 80 K à une pression de, par exemple, 0,45 MPa.
[0051] Un deuxième flux du deuxième réfrigérant, qui peut comprendre le restant du débit du deuxième réfrigérant, peut être dirigé, à travers la deuxième branche R22 du deuxième circuit de réfrigérant R2, vers les deuxième, troisième, quatrième et cinquième échangeurs de chaleur HX22, HX23, HX24, HX25 du deuxième ensemble d’échangeurs de chaleur, pour y être successivement refroidi jusqu’à une température de, par exemple, 26 K, pour ensuite être détendu, en particulier de manière sensiblement adiabatique, jusqu’à une pression de, par exemple, 0,17 MPa, au détendeur JT2, et ainsi y réduire sa température jusqu’à, par exemple, 22 K. En aval du détendeur JT2, ce deuxième flux du deuxième réfrigérant peut encore traverser en ordre inversé les sixième, cinquième, quatrième, troisième, deuxième et premier échangeurs de chaleur HX26, HX25, HX24, HX23, HX22 et HX21 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur pour y absorber de la chaleur jusqu’à atteindre une température de, par exemple, 80 K à une pression de, par exemple, 0,15 MPa. Pour lui permettre de rejoindre le premier flux du deuxième réfrigérant à la confluence des deux branches R21 , R22 du deuxième circuit R2, avant de revenir vers les compresseurs C21 , C22, C23, C24 et les échangeurs intermédiaires IC, le deuxième flux peut encore être comprimé jusqu’à la même pression que le premier flux dans les compresseurs supplémentaires C20a, C20b. Le compresseur supplémentaire C20a peut être un compresseur à deux étages, entraîné avec une puissance de, par exemple, 25 kW, à une vitesse de, par exemple, 100000 tours par minute, pour comprimer ce deuxième flux jusqu’à une pression de, par exemple, 0,3 MPa et une température de, par exemple, 113 K, tandis que le compresseur supplémentaire C20b peut aussi être un compresseur à deux étages, entraîné avec une puissance de, par exemple, 25 kW, à une vitesse de, par exemple, 100000 tours par minute, pour comprimer ce deuxième flux jusqu’à une pression de, par exemple, 0,45 MPa et une température de, par exemple, 131 ,5 K.
[0052] Ainsi, le cycle de réfrigération appliqué dans le deuxième circuit de réfrigérant R2 est un cycle de Claude à deux pressions. Bien que, pour ce premier mode de réalisation, il ait été proposé d’utiliser l’hydrogène comme deuxième réfrigérant, il est aussi envisageable d’utiliser d’autres réfrigérants, comme le hélium, voire même un mélange d’hydrogène et de néon. Dans ce mode de réalisation alternatif, afin d’éviter le blocage du deuxième circuit de réfrigérant par du néon solide, il serait préférable de séparer le néon du deuxième réfrigérant avant que sa température ne descende en dessous de 25 K. Pour cela, il est notamment envisageable d’utiliser la condensation du néon et sa séparation en phase liquide. De manière analogue, il est aussi envisageable d’utiliser d’autres substances alternativement ou en complément de l’azote en tant que premier réfrigérant, comme par exemple l’argon. Toutes les pressions mentionnées à titre d’exemple dans cette description doivent être comprises en tant que pressions absolues.
[0053] La figure 2 illustre schématiquement une installation de liquéfaction de l’hydrogène suivant une variante du premier mode de réalisation, dans laquelle le dernier échangeur de chaleur HX13 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur peut être intégré dans la cuve T 1 du premier circuit de réfrigérant R1 , de manière à y être immergé partiellement ou totalement dans la phase liquide du premier réfrigérant. Les éléments restants de l’installation illustrée sur la figure 2 sont identiques ou équivalents à ceux de l’installation de la figure 1 et y reçoivent en conséquence les mêmes repères. Son fonctionnement est également analogue. [0054] La figure 3 illustre schématiquement une installation de liquéfaction de l’hydrogène suivant un deuxième mode de réalisation, pouvant comprendre un troisième circuit de réfrigérant R3. Ce troisième circuit de réfrigérant R3 peut être un circuit de réfrigérant en boucle fermée, contenant un troisième réfrigérant. Ce troisième réfrigérant peut être un réfrigérant mixte, et notamment un réfrigérant mixte comprenant des hydrocarbures. Un tel réfrigérant mixte peut être formé par un mélange d’azote, méthane, éthane, propane et butane.
[0055] Le troisième circuit de réfrigérant R3 peut comprendre un ensemble de compresseurs C3 en amont d’un premier séparateur de phase T31 , qui peut former un premier embranchement du troisième circuit de réfrigérant R3, le divisant en une première branche R31 , pouvant comprendre un compresseur supplémentaire C3’, et une deuxième branche R32, pouvant comprendre une pompe P3. Ces deux branches R31 , R32 peuvent se rejoindre en aval du compresseur C3’ et la pompe P3, en amont d’un deuxième séparateur de phase T32, qui peut former un deuxième embranchement du troisième circuit réfrigérant R3, le divisant en une troisième branche R33 et une quatrième branche R34.
[0056] La troisième branche R33 peut comprendre un détendeur JT33, par exemple sous la forme d’une vanne de détente adiabatique, et traverser, tant en amont qu’en aval de ce détendeur JT33, un premier échangeur de chaleur HX10 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur, pouvant comprendre quatre échangeurs de chaleur HX10, HX11 , HX12 et HX13 dans ce deuxième mode de réalisation, pour ensuite retourner en amont de l’ensemble de compresseurs C3.
[0057] La quatrième branche R34 peut également traverser le premier échangeur de chaleur HX10 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur, en amont d’un troisième séparateur de phase T33, qui peut former un troisième embranchement du troisième circuit de réfrigérant R3, divisant la quatrième branche R34 en une cinquième branche R35 et une sixième branche R36.
[0058] La cinquième branche R35 peut comprendre un détendeur JT35, par exemple sous la forme d’une vanne de détente adiabatique, et traverser, tant en amont qu’en aval de ce détendeur JT35, le deuxième échangeur de chaleur HX11 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur. [0059] La sixième branche R36 peut comprendre également un détendeur JT36, par exemple sous la forme d’une vanne de détente adiabatique, et traverser successivement, en amont de ce détendeur, les deuxième et troisième échangeurs de chaleur HX11 , HX12 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur, pour les traverser à nouveau, en ordre inversé, en aval du détendeur JT36, avant de rejoindre la cinquième branche R35.
[0060] Le premier échangeur de chaleur HX10 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur peut encore être traversé par la quatrième branche R34 en aval de la confluence des cinquième et sixième branches R35, R36, en amont d’une confluence de la quatrième branche R34 avec la troisième branche R33 en amont du retour vers les compresseurs C3.
[0061] Comparé à celui du premier mode de réalisation, le premier circuit de réfrigérant R1 peut être simplifié, et ne former qu’une simple boucle traversant, en aval des compresseurs C1 , les premier à troisième échangeurs de chaleur HX10, HX11 , HX12 dans un premier sens, pour ensuite les traverser en ordre inverse en aval d’un unique détendeur JT 1 , qui peut être sous la forme d’une vanne de détente adiabatique, et de la cuve T 1 , avant de revenir vers l’admission des compresseurs C1. Comme dans la variante du premier mode de réalisation, un dernier échangeur de chaleur HX13 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur HX10, HX11 , HX12, HX13 traversé par le circuit d’alimentation en hydrogène H peut être intégré dans la cuve T1 pour y être immergé partiellement ou totalement dans la phase liquide du premier réfrigérant.
[0062] Les éléments restants de l’installation suivant ce deuxième mode de réalisation peuvent être identiques ou équivalents à ceux du premier mode de réalisation et reçoivent en conséquence les mêmes repères.
[0063] En fonctionnement, dans le troisième circuit de réfrigérant R3, le troisième réfrigérant peut être d’abord comprimé, dans les compresseurs C3, par exemple de 0,1 MPa à 1 ,1 MPa. A cette pression, une phase liquide peut apparaître, qui peut être séparée de la phase gazeuse du troisième réfrigérant dans le premier séparateur de phase T31 du troisième circuit de réfrigérant R3, pour être dérivée vers la deuxième branche R32 du troisième circuit de réfrigérant R3 et y être pompée par la pompe P3 jusqu’à une pression de, par exemple, 2,2 MPa, tandis que la phase gazeuse peut être dirigée à travers la première branche R31 , pour y être comprimée par le compresseur supplémentaire C3’ jusqu’à la même pression que la phase liquide de la deuxième branche R32. La séparation des phases et le pompage de la phase liquide par une pompe, pour la dernière augmentation de pression, permet de limiter la consommation énergétique pour cette étape.
[0064] En aval de la confluence des première et deuxième branches R31 , R32 du troisième circuit de réfrigérant R3, des phases gazeuse et liquide peuvent être séparées à nouveau dans le deuxième séparateur de phase T32, pour diriger la phase liquide à travers la troisième branche R33 et la phase gazeuse à travers la quatrième branche R34.
[0065] La fraction liquide du troisième réfrigérant dirigée à travers la troisième branche R33 du troisième circuit de réfrigérant R3 peut être d’abord refroidie jusqu’à une température de, par exemple, 182 K, dans le premier échangeur de chaleur HX10 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur, pour être ensuite détendue, en particulier de manière sensiblement adiabatique, jusqu’à une pression de, par exemple, 0,1 MPa, dans le détendeur JT33 de la troisième branche R33, avant de traverser à nouveau le premier échangeur de chaleur HX10 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur pour y absorber de la chaleur, et être ensuite reconduite vers les compresseurs C3.
[0066] La fraction gazeuse du troisième réfrigérant dirigée à travers la quatrième branche R34 du troisième circuit de réfrigérant R3 peut d’abord être également refroidie jusqu’à une température de, par exemple, 182 K, dans le premier échangeur de chaleur HX10 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur pour s’y condenser partiellement avant d’arriver au troisième séparateur de phase T33, dans lequel des phases liquide et solide peuvent à nouveau être séparées pour être dirigées, respectivement, à travers les cinquième et sixième branches R35, R36 du troisième circuit de réfrigérant.
[0067] La fraction liquide du troisième réfrigérant dirigée à travers la cinquième branche R35 du troisième circuit de réfrigérant R3 peut être refroidie jusqu’à une température de, par exemple, 115 K dans le deuxième échangeur HX11 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur, pour être ensuite détendue, en particulier de manière sensiblement adiabatique, jusqu’à une pression de, par exemple, 0,1 MPa, dans le détendeur JT35 de la cinquième branche R35, avant de traverser à nouveau, en ordre inversé, les deuxième et premier échangeurs de chaleur HX11 , HX10 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur pour y absorber de la chaleur, et être ensuite reconduite vers les compresseurs C3.
[0068] La fraction gazeuse du troisième réfrigérant dirigée à travers la sixième branche R36 du troisième circuit de réfrigérant R3 peut être refroidie jusqu’à une température de, par exemple, 82 K en traversant les deuxième et troisième échangeurs de chaleur HX11 , HX12 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur, pour être ensuite détendue, en particulier de manière sensiblement adiabatique, jusqu’à une pression de, par exemple, 0,1 MPa, dans le détendeur JT36 de la sixième branche R36, avant de traverser à nouveau, en ordre inversé, les troisième, deuxième et premier échangeurs de chaleur HX12, HX11 , HX10 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur pour y absorber de la chaleur, et être ensuite reconduite vers les compresseurs C3.
[0069] Dans le premier circuit de réfrigérant R1 , le premier réfrigérant peut être comprimé, par exemple de 0,1 MPa à 4 MPa, dans les compresseurs C1 , et ensuite refroidi jusqu’à, par exemple, 90 K, en traversant les premier, deuxième et troisième échangeurs de chaleur HX10, HX11 , HX12 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur. Il peut ensuite être détendu, en particulier de manière sensiblement adiabatique, dans l’unique détendeur JT 1 du premier circuit de réfrigérant R1 , de manière à en réduire sa température jusqu’à, par exemple, 78 K et le liquéfier au moins en partie avant d’arriver dans la cuve T 1.
[0070] Une fraction gazeuse du premier réfrigérant peut sortir de la cuve T1 pour traverser, en ordre inversé, les troisième, deuxième et premier échangeurs de chaleur HX12, HX11 , HX10 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur pour y absorber de la chaleur avant de retourner aux compresseurs C1 du premier circuit de réfrigérant.
[0071] Dans le deuxième circuit de réfrigérant R2, le deuxième réfrigérant peut circuler de manière sensiblement analogue au premier mode de réalisation, tandis que l’hydrogène gazeux introduit dans le circuit d’alimentation en hydrogène H peut d’abord être refroidi jusqu’à, par exemple, 90 K, en traversant les premier, deuxième et troisième échangeurs de chaleur HX10, HX11 et HX12 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur, pour être ensuite refroidi jusqu’à 80 K en traversant le dernier échangeur de chaleur HX13 du premier ensemble d’échangeurs de chaleur qui, comme dans le premier mode de réalisation, peut être un échangeur catalytique apte à opérer, en tant qu’échangeur catalytique, une conversion catalytique ortho-para du débit d’alimentation pour y augmenter le taux de para-hydrogène par exemple de 25 à 48%. Les étapes subséquentes du refroidissement et liquéfaction de l’hydrogène circulant à travers le circuit d’alimentation en hydrogène H peuvent être analogues à celles du premier mode de réalisation.
[0072] Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des modes de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de liquéfaction de l'hydrogène, comprenant au moins : une étape de pré-refroidissement, dans laquelle un débit d'alimentation en hydrogène est refroidi par un premier réfrigérant, une étape de refroidissement, dans laquelle le débit d'alimentation en hydrogène est refroidi par un deuxième réfrigérant, et une étape de détente, en particulier de détente sensiblement adiabatique, du débit d'alimentation en hydrogène, et dans lequel chacun des premier et deuxième réfrigérants est successivement soumis à au moins une compression et à au moins une détente afin de le refroidir, et une phase liquide du premier réfrigérant refroidit le deuxième réfrigérant entre au moins trois étages d'une compression du deuxième réfrigérant pour que le deuxième réfrigérant ne dépasse pas une température de 150 K, de préférence 113 K, lors de ladite compression du deuxième réfrigérant.
[Revendication 2] Procédé de liquéfaction de l'hydrogène suivant la revendication 1, dans lequel le premier réfrigérant comprend de l'azote et/ou de l'argon.
[Revendication 3] Procédé de liquéfaction de l'hydrogène suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel la phase liquide du premier réfrigérant refroidit le deuxième réfrigérant en amont de chacun desdits au moins trois étages de la compression du deuxième réfrigérant.
[Revendication 4] Procédé de liquéfaction de l'hydrogène suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le deuxième réfrigérant comprend de l'hydrogène, du néon et/ou de l'hélium.
[Revendication 5] Procédé de liquéfaction de l'hydrogène suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le deuxième réfrigérant est divisé en un premier flux qui est soumis à une détente pour le refroidir et un deuxième flux qui est refroidi par le premier flux du deuxième réfrigérant après la détente du premier flux du deuxième réfrigérant.
[Revendication 6] Procédé de liquéfaction de l'hydrogène suivant la revendication 5, dans lequel le deuxième flux du deuxième réfrigérant est soumis à une détente, en particulier à une détente sensiblement adiabatique, après avoir été refroidi par le premier flux du deuxième réfrigérant.
[Revendication 7] Procédé de liquéfaction de l'hydrogène suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le premier réfrigérant est divisé en un premier flux qui est soumis à une détente pour le refroidir et un deuxième flux qui est refroidi par le premier flux du premier réfrigérant après la détente du premier flux du premier réfrigérant.
[Revendication 8] Procédé de liquéfaction de l'hydrogène suivant la revendication 7, dans lequel le deuxième flux du premier réfrigérant est soumis à une détente, en particulier à une détente sensiblement adiabatique, après avoir été refroidi par le premier flux du premier réfrigérant.
[Revendication 9] Procédé de liquéfaction de l'hydrogène suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le débit d'alimentation en hydrogène est refroidi aussi par un troisième réfrigérant pendant l'étape de pré-refroidissement.
[Revendication 10] Installation de liquéfaction de l'hydrogène comprenant au moins : un circuit (H) d'alimentation en hydrogène, un premier circuit de réfrigérant (RI) contenant un premier réfrigérant, un deuxième circuit de réfrigérant (R2) contenant un deuxième réfrigérant, un premier ensemble d'échangeurs de chaleur (HX10, HX11, HX12, HX13) traversés par le circuit d'alimentation en hydrogène (H) et par le premier circuit de réfrigérant (RI), un deuxième ensemble d'échangeurs de chaleur (HX21, HX22, HX23, HX24, HX25, HX26) traversés par le deuxième circuit de réfrigérant (R2) et par le circuit d'alimentation en hydrogène (H) en aval du premier ensemble d'échangeurs de chaleur (HX10, HX11, HX12, HX13), et un détendeur, par exemple une vanne de détente adiabatique (JTH), traversé par le circuit d'alimentation en hydrogène (H) en aval du deuxième ensemble d'échangeurs de chaleur (HX21, HX22, HX23, HX24, HX25, HX26), dans laquelle le premier circuit de réfrigérant (RI) comporte un ou plusieurs compresseurs (Cl) et un ou plusieurs détendeurs (E1,JT1), et le deuxième circuit de réfrigérant (R2) comprend au moins trois compresseurs (C21, C22, C23, C24) et un dispositif de refroidissement comprenant plusieurs échangeurs intermédiaires (IC) intercalés entre lesdits au moins trois compresseurs (C21, C22, C23, C24) du deuxième circuit de réfrigérant (R2) de manière à effectuer au moins trois compressions du deuxième réfrigérant sans dépasser une température de 150 K, de préférence 113 K, et un ou plusieurs détendeurs (JT2, E21, E22, E23), le dispositif de refroidissement étant configuré pour refroidir le deuxième réfrigérant dans le deuxième circuit de réfrigérant (R2) avec une phase liquide du premier réfrigérant dans le premier circuit de réfrigérant (RI), en particulier dans une cuve (Tl) du premier circuit de réfrigérant (RI).
[Revendication 11] Installation de liquéfaction de l'hydrogène suivant la revendication 10, dans laquelle un desdits échangeurs intermédiaires (IC) est disposé en amont de chacun desdits au moins trois compresseurs (C21, C22, C23, C24) du deuxième circuit de réfrigérant.
[Revendication 12] Installation de liquéfaction de l'hydrogène suivant l'une quelconque des revendications 10 ou 11, dans laquelle lesdits au moins trois compresseurs (C21, C22, C23, C24) du deuxième circuit de réfrigérant (R2) sont à paliers magnétiques, en particulier à paliers magnétiques actifs.
[Revendication 13] Installation de liquéfaction de l'hydrogène suivant l'une quelconque des revendications 10 à 12, dans laquelle lesdits au moins trois compresseurs (C21, C22, C23, C24) du deuxième circuit de réfrigérant (R2) sont des compresseurs centrifuges.
[Revendication 14] Installation de liquéfaction de l'hydrogène suivant l'une quelconque des revendications 10 à 13, dans laquelle au moins un échangeur de chaleur (HX13, HX21, HX22, HX23, HX24, HX25, HX26) du premier ensemble d'échangeurs de chaleur ou du deuxième ensemble d'échangeurs de chaleur est un échangeur catalytique.
[Revendication 15] Installation de liquéfaction de l'hydrogène suivant l'une quelconque des revendications 10 à 14, dans laquelle le deuxième circuit de réfrigérant (R2) comporte un embranchement (S2), en aval desdits au moins trois compresseurs (C21, C22, C23, C24) du deuxième circuit de réfrigérant (R2), avec une première branche (R21) comportant un ou plusieurs desdits détendeurs (E21, E22, E23) du deuxième circuit de réfrigérant (R2) et traversant en aval au moins un des échangeurs de chaleur (HX21, HX22, HX23, HX24) du deuxième ensemble, et une deuxième branche (R22) traversant au moins un des échangeurs de chaleur (HX21, HX22, HX23, HX24, HX25, HX26) du deuxième ensemble avant de rejoindre la première branche (R21) du deuxième circuit de réfrigérant (R2) en amont desdits compresseurs (C21, C22, C23) du deuxième circuit de réfrigérant (R2).
[Revendication 16] Installation de liquéfaction de l'hydrogène suivant l'une quelconque des revendications 10 à 15, dans laquelle le premier circuit de réfrigérant (RI) comporte un embranchement (SI), en aval des compresseurs (Cl) du premier circuit de réfrigérant, avec une première branche (RI 1) comportant au moins un desdits détendeurs (El) du premier circuit de réfrigérant (RI) et traversant en aval au moins un des échangeurs de chaleur (HX12) du premier ensemble d'échangeurs de chaleur (HX11, HX12, HX13), et une deuxième branche (R12) traversant au moins un des échangeurs de chaleur (HX12, HX13) du premier ensemble d'échangeurs de chaleur (HX11, HX12, HX13) avant de rejoindre la première branche (Rll) du premier circuit de réfrigérant (RI) en amont des compresseurs (Cl) du premier circuit de réfrigérant (RI).
[Revendication 17] Installation de liquéfaction de l'hydrogène suivant l'une quelconque des revendications 10 à 16, comportant en outre un troisième circuit de réfrigérant (R3) contenant un troisième réfrigérant et traversant aussi un ou plusieurs échangeurs de chaleur (HX10, HX11, HX12) du premier ensemble d'échangeurs de chaleur (HX10, HX11, HX12, HX13).
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