Répartition de la température interne d'un échangeur de chaleur à ailettes dans un système de liquéfaction :
1) Cycle de détente de l'azote : la différence de température d'échange thermique est très faible aux extrémités et au centre de l'échangeur, tandis qu'elle est importante ailleurs. Toutefois, la conception de l'échangeur impose certaines exigences quant à la différence de température minimale d'échange thermique, qui ne doit pas être trop faible. En général, une distribution inégale de la différence de température d'échange thermique engendre des écarts importants et des pertes irréversibles élevées, ce qui augmente la puissance requise à l'arbre du compresseur correspondant.
2) Cycle de détente azote-méthane : la capacité de refroidissement dans la partie basse température de l’échangeur de chaleur est assurée par le détendeur. Le mélange d’azote et de méthane se détend et se refroidit. Du fait de la forte teneur en méthane, la différence de température à l’extrémité froide après détente est faible. Après l’élévation de température, le méthane et l’azote se vaporisent rapidement, fournissant une importante capacité de refroidissement. Il en résulte une différence de température importante dans l’échangeur de chaleur et le mélange gazeux vaporisé continue de s’élever. La chaleur sensible est utilisée pour refroidir le gaz naturel liquéfié à haute pression, et la différence de température commence à se faire sentir. Une fois réduite à une certaine valeur, le fluide froid est mélangé au gaz basse température à la sortie du détendeur pour continuer à refroidir le système. La différence de température minimale à l’intérieur de la chambre froide se situe à l’extrémité la plus chaude, à l’extrémité la plus froide et au point de confluence du fluide détendeur et du fluide de détente. De plus, la différence de température moyenne de l’échangeur de chaleur est également inférieure à celle du cycle de liquéfaction par détente d’azote.
3) MRC : la différence de température d'échange thermique à l'extrémité basse température de l'échangeur est faible, tandis qu'elle est importante à proximité de la température ambiante. Ceci est principalement dû à l'utilisation d'isopentane en remplacement du butane dans le fluide frigorigène. Après refroidissement du mélange frigorifique comprimé par l'eau de mer, l'isopentane se condense à l'état liquide. Dans le mélange frigorifique détendu, l'isopentane commence à se vaporiser à une température plus élevée, avec une chaleur latente de vaporisation importante. Cette partie de la capacité de refroidissement n'est pas exploitée lors du refroidissement du gaz naturel et du mélange frigorifique haute pression présents dans le flux thermique. Par conséquent, la différence de température d'échange thermique dans cette section est importante. Cependant, l'utilisation d'isopentane à la place du butane comme fluide frigorigène à point d'ébullition élevé permet non seulement de réduire la consommation d'énergie, mais aussi d'augmenter la différence de température d'échange thermique, ce qui est très avantageux pour l'ensemble du système.
L'augmentation du nombre d'étages du cycle frigorifique réduit la consommation d'énergie du système, ainsi que le coefficient frigorifique et l'efficacité exergétique. Cependant, son influence sur les performances frigorifiques diminue. L'augmentation du nombre d'étages complexifie le processus et en réduit l'opérabilité. Le nombre optimal d'étages varie selon l'échelle du système : plus l'échelle est grande, plus le nombre d'étages optimaux est élevé.
Le cycle frigorifique comprend un cycle avec et un cycle sans prérefroidissement. Le cycle avec prérefroidissement inclut le prérefroidissement par fluide frigorigène pur et le prérefroidissement par mélange de fluides frigorigènes. Dans ces cycles, le mélange de fluides frigorigènes est divisé en différentes étapes. Le liquide séparé à chaque étape est sous-refroidi et détendu pour la réfrigération, tandis que le gaz séparé continue d'être refroidi et séparé. Les étapes de séparation diffèrent, la complexité du procédé varie et l'efficacité du cycle frigorifique varie également.
37. Lors de la conception d'un cycle frigorifique à étages (CCE), il est nécessaire d'optimiser sa structure et de sélectionner le nombre de cycles approprié. Le CCE comprend des cycles à un, deux, trois et plusieurs étages. Ces cycles sont actuellement utilisés. Le nombre d'étages, la consommation d'énergie frigorifique et la complexité du processus doivent être choisis en fonction de l'échelle de production. L'optimisation d'un CCE inclut l'optimisation de sa structure et celle de ses paramètres.
Date de publication : 1er novembre 2021