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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés J 3 601 − 1 Liquéfaction du gaz naturel par Pierre PETIT Ingénieur de l’École Nationale Supérieure d’Électrotechnique et d’Hydraulique de Grenoble, Docteur 3e cycle en Thermodynamique Ancien adjoint au Directeur Technique de l’Ingénierie de L’Air Liquide Consultant en cryogénie Président de la Commission A3 (liquéfaction et séparation des gaz) de l’Institut International du Froid Professeur à l’École Polytechnique Féminine (Fondation EPF) es pays industrialisés sont d’énormes consommateurs d’énergie et de matières premières d’origine pétrolière. En France, après l’amenuisement des réserves de charbon de l’Europe occidentale, le gaz naturel de Lacq a progressivement remplacé le gaz de four à coke dans le réseau de Gaz de France (GDF). Cependant, ses réserves étant très limitées, le gaz de Lacq a dû être complété et progressivement remplacé par du gaz importé de Hollande et d’URSS, acheminé par des canalisations sous pression. Des gisements très importants furent simultanément découverts en Afrique (Algérie, Libye, Nigéria), au Moyen-Orient, en Indonésie, en Alaska et en Amérique du Sud. L’Europe, la Corée, le Japon et les États-Unis étaient des clients 1. Composition du gaz naturel.................................................................. J 3 601 - 2 2. Description des unités de liquéfaction.............................................. — 2 2.1 Unités « Base Load »................................................................................... — 2 2.2 Unités « Peakshaving » ............................................................................... — 4 3. Procédés de liquéfaction....................................................................... — 5 3.1 Cycle à cascade classique........................................................................... — 5 3.2 Cycle à cascade incorporée ........................................................................ — 5 3.3 Cycles mixtes ............................................................................................... — 5 4. Procédés de regazéiﬁcation.................................................................. — 9 4.1 Rôle principal du terminal méthanier ........................................................ — 9 4.2 Caractéristiques essentielles de la regazéiﬁcation ................................... — 9 4.3 Autres valorisations du froid ...................................................................... — 10 4.4 Extraction de fractions lourdes................................................................... — 10 4.5 Aspect thermodynamique de la récupération du froid contenu dans le GNL..................................................................... — 10 5. Échangeurs cryogéniques...................................................................... — 12 5.1 Échangeurs à plaques et ailettes en aluminium brasé............................. — 12 5.2 Échangeurs bobinés.................................................................................... — 12 5.3 Échangeurs à ruissellement d’eau ............................................................. — 13 5.4 Échangeurs bitubes en aluminium extrudé .............................................. — 14 5.5 Choix du type d’échangeur......................................................................... — 15 6. Analyse des coûts.................................................................................... — 15 7. Étude thermodynamique d’un cycle à cascade classique............ — 15 7.1 Description du cycle .................................................................................... — 15 7.2 Performances du cycle................................................................................ — 17 8. Calcul d’un cycle à cascade incorporée............................................ — 17 8.1 Description du cycle .................................................................................... — 17 8.2 Éléments du calcul....................................................................................... — 17 8.3 Performances de l’unité de liquéfaction.................................................... — 18 8.4 Rendement par rapport au cycle réversible de Carnot............................. — 20 8.5 Analyse des irréversibilités......................................................................... — 21 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. J 3 602 L LIQUÉFACTION DU GAZ NATUREL _________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. J 3 601 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés potentiels et le marché prometteur. Les distances de transport (milliers de kilo- mètres) et les voies maritimes offertes ou imposées (transports intercontinen- taux) ont incité à développer une chaîne de transport maritime : le gaz naturel liquéﬁé (GNL) est transporté à – 161 oC dans les cuves thermiquement isolées des navires méthaniers. La liquéfaction du gaz permet une très grande réduction du volume des récipients sans majoration importante des épaisseurs des parois puisque l’on reste à pression atmosphérique (650 m3 de gaz à pression atmo- sphérique n’occupent qu’un mètre cube à l’état liquide). L’objet du présent article est de décrire les procédés et les unités de liquéfaction du gaz naturel. 1. Composition du gaz naturel Le composant principal du gaz naturel (GN) est le méthane (sou- vent plus de 80 %) ; viennent ensuite les hydrocarbures saturés plus lourds (éthane, propane, etc.) dont les proportions décroissent avec l’augmentation du nombre d’atomes de carbone (tableau 1). On peut aussi y trouver de l’azote, de l’hélium, du dioxyde de carbone, parfois du sulfure de dihydrogène qu’il faut éliminer et de la vapeur d’eau. (0) Il apparaît que la composition du gaz naturel varie suivant la source d’approvisionnement. Les données économiques mondiales et les échanges internationaux de gaz naturel sont rassemblées en ﬁn de l’article [Doc. J 3602]. 2. Description des unités de liquéfaction 2.1 Unités « Base Load » 2.1.1 Historique I L’histoire du GNL débute en 1940 aux États-Unis à Cornwell avec la réalisation d’une station expérimentale équipée d’une unité de liquéfaction de 17 m3 par jour associée à un stockage de 40 m3. Une installation industrielle est ensuite construite à Cleveland (Ohio) ; elle est destinée à l’écrêtement des pointes de consommation de gaz et se caractérise par une capacité de liquéfaction de 200 m3 par jour et une regazéiﬁcation de 115 m3/h. Elle comporte trois réservoirs de 2 400 m3 et un de 4 500 m3. Le 24 octobre 1944, alors que les quatre réservoirs étaient pleins, une fuite de l’un d’eux fut à l’origine d’un grave accident qui causa la mort de 128 personnes : les vapeurs du gaz liquéﬁé s’enﬂammèrent et deux des réservoirs s’effondrèrent ; le méthane liquide s’écoula dans les égoûts et dans les rues ; une explo- sion se produisit et les ﬂammes, d’après les témoins, atteignirent une hauteur de 800 m. Les deux autres réservoirs ont parfaitement résisté au sinistre. I Dès la ﬁn des années 50, Gaz de France décide de développer des technologies pour la mise en œuvre des chaînes de transport par voie maritime. Une station « Méthane Liquide » est créée à cet effet à La Roche Maurice (près de Nantes). Un réservoir cryogénique de 500 m3 y est construit en 1959 ; une unité pilote de liquéfaction de 1 000 Nm3 (*) par heure y est mise en service en 1964 pour éprouver le cycle à cascade incorporée préconisé par L’Air Liquide. Tableau 1 – Quelques compositions types de gaz naturel ne contenant pas de H2S Composants (% molaire) Type de gaz Gaz brut Gaz épuré à l’entrée du liquéfacteur Algérie Algérie Libye Libye « gaz associé » (1) He . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,19 0,19 N2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 5,60 5,61 1,1 1,4 CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . 0,21 0,01 CH4 . . . . . . . . . . . . . . . . 83,40 83,57 84,9 63,0 C2H6 . . . . . . . . . . . . . . . 7,60 7,62 7,3 19,1 C3H8 . . . . . . . . . . . . . . . 1,90 1,90 3,5 10,0 i – C4H10 . . . . . . . . . . . . 0,30 0,30 0,9 2,1 n – C4 H10 . . . . . . . . . . . 0,40 0,40 0,9 2,2 i – C5H12 . . . . . . . . . . . . 0,12 0,12 0,4 0,8 n – C5 H12 . . . . . . . . . . . 0,13 0,13 0,4 0,8 C6H14 et C6+ . . . . . . . . . 0,15 0,15 0,6 0,6 Total . . . . . . . . . . % mol 100,00 100,00 100,0 100,0 H2O . . . . . . . . . . ppm(2) 15 < 1 < 1 < 1 (1) Gaz récupéré lors d’une extraction de pétrole. (2) ppm : partie par million, en volume. Vue d’ensemble d’une usine de liquéfaction de gaz naturel _________________________________________________________________________________________________________ LIQUÉFACTION DU GAZ NATUREL Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie des procédés J 3 601 − 3 Trois unités de liquéfaction, d’une capacité unitaire de 0,5 × 109 Nm3 par an, sont construites à Arzew, près d’Oran en Algérie, et mises en service en 1963. La première chaîne au monde de transport de GNL est créée : elle achemine le gaz depuis Hassi R’Mel (Sud-Algérien) jusqu’en Angleterre (109 Nm3/an) et en France à Fos-sur-Mer (0,5 × 109 Nm3/an). La livraison vers l’Angleterre a pris ﬁn vers 1985 à l’expiration du contrat avec l’Algérie. (*) Rappel : 1 Nm3 (normomètre cube ) = 1 m3 de gaz mesuré dans les conditions normales de pression (1,013 bar) et de température (0 oC). 1 Nm3 correspond à 1 000 : 22,4 = 44,6 mol. I Quelques années plus tard, une chaîne entièrement américaine, achemine vers le Sud des États-Unis 2 × 109 Nm3/an de gaz en pro- venance de l’Alaska. C’est ensuite du gaz de Libye qui est acheminé vers l’Espagne et l’Italie. De nombreuses unités de liquéfaction sont alors construites en Algérie (Skikda et Arzew), dans le golfe Persique et en Indonésie (tableau 2). On estime à 86 × 109 Nm3 la quantité en 1994 de gaz transporté à l’état liquide depuis ces pays, essentiellement vers l’Europe uploads/Finance/ liquefaction-du-gaz-naturel.pdf