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WO2016091903A2 - Systeme de liquefaction de gaz a machine a absorption et pompe a chaleur stirling - Google Patents

Systeme de liquefaction de gaz a machine a absorption et pompe a chaleur stirling Download PDF

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WO2016091903A2
WO2016091903A2 PCT/EP2015/079022 EP2015079022W WO2016091903A2 WO 2016091903 A2 WO2016091903 A2 WO 2016091903A2 EP 2015079022 W EP2015079022 W EP 2015079022W WO 2016091903 A2 WO2016091903 A2 WO 2016091903A2
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WO
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gas
stirling
condenser
heat pump
desorber
Prior art date
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Application number
PCT/EP2015/079022
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Inventor
Jean-Philippe VERNET
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Eosgen Technologies
Original Assignee
Eosgen Technologies
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Publication date
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Publication of WO2016091903A3 publication Critical patent/WO2016091903A3/fr
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Ceased legal-status Critical Current

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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/62—Absorption based systems

Definitions

  • the present invention relates to a gas liquefaction system comprising an absorption machine for producing cryogenic cold, that is to say to the condensation temperature of natural simple gases by implementing an absorption cycle.
  • the invention is more particularly aimed at improving the energy efficiency of simple or compound gas liquefaction plants according to the state of the art.
  • the present invention is intended for all applications of liquefaction of gas by cryogenic cold, and more particularly to gas deposit or gas production facilities for which liquefaction is sought for advantageous storage and / or transport purposes.
  • the present invention makes it possible to envisage a production of liquefied gas with lower energy costs in local installations for the production of bio-methane or natural gas deposit, but also hydrogen, helium, or more generally gases from the atmosphere such as nitrogen, oxygen, rare gases.
  • the principle of liquefaction of a gas consists in cooling it to bring it, at normal atmospheric pressure, to a very low temperature, typically less than 125 K, at which a change of gaseous state to liquid takes place. This change of state reduces the volume of the gas, typically of the order of 600 times for natural gas, which allows to transport larger quantities of gas at lower cost of transport.
  • the liquefaction of the gases is therefore a cryogenic process, that is to say a process operating at very low temperature.
  • cryogenic thermodynamic processes can be classified as follows:
  • Stirling heat pumps which implement a Stirling cycle. These known methods are more suitable for cryogenic cold production plants of small volumes.
  • the disadvantage of this type of known process is that they have a relatively low coefficient of performance (COP), the COP being the ratio between the useful energy (produced cold) and the energy consumed (paid) to operate the heat pump.
  • the gas to be liquefied is initially at an ambient temperature and the energy consumed exclusively by a Stirling heat pump to reach the desired cryogenic temperature or at least that of gas liquefaction temperature is high, hence a COP low.
  • Absorption machines have a COP generally lower than compression systems which are more conventionally used in an air conditioning or refrigeration. However, they make it possible to reuse the fatal heats (heat of end of cycle difficult to reuse) without consuming more energy. Absorption machines are recognized for their reliability, because they can operate in particular by thermosiphon without pump or moving part.
  • the mechanical compression machines comprise in a closed circuit a mechanical compressor driven by an electric motor for compressing a heat-transfer gas, a cooler, downstream of the compressor, for cooling the compressed gas, a condenser in which the cooled gas condenses and an evaporator that produces cold by evaporation of the heat transfer gas.
  • the heat transfer gas used is often a fluorocarbon gas, but also ammonia with the best characteristics.
  • pulsed gas tube cryogenic refrigeration or thermoacoustic systems International patent application WO02 / 090726 describes such a system in which a thermoacoustic motor is implemented in combination with a pulsed tube refrigerator. Such systems have the major disadvantages of being dedicated only to the production of cold and to have a low yield.
  • the passage of the evaporator to the condenser is carried out by mixing a refrigerant with another so-called absorbent fluid. This mixture will allow the passage of the refrigerant from a low pressure / low temperature level to a high pressure / high temperature level under the effect of a heat input.
  • the properties of the absorbent are, because of its very high affinity with the refrigerant, to absorb low-pressure refrigerant vapor and to separate it by heating at high pressure.
  • pairs of refrigerants / absorbents used in known absorption systems are of two types: diluted ammonia / water (NH3 / H2O) and water / lithium bromide (H 2 O / LiBr) in aqueous solution.
  • FIG. 1 schematically shows a basic absorption machine according to the state of the art, operating with an ammonia / water pair.
  • This machine is currently implemented as a mini bar refrigeration system found in hotels.
  • This machine comprises a single stage with from upstream to downstream in the order of the absorption cycle, the following essential components interconnected:
  • a desorber 3 also called a boiler, into which the heat is brought from outside, to separate the water from the ammonia
  • a condenser 4 connected to the column 2 and in which the ammonia gas condenses into liquid and the heat, which has been added to the ammonia in the desorber 3, is dissipated to the outside,
  • an evaporator connected to the condenser 4 and producing the cold and in which the ammonia is evaporated, an absorber 1 connected to the evaporator 5, and in which the water and the ammonia are mixed again.
  • the absorption heat output is 2000 kJ per kg of absorbed ammonia. As shown in this Figure 1, this heat is discharged to the outside.
  • the vertical dashed line symbolizes the separation of low pressure (LP) and high pressure (HP) fluids in the cycle.
  • the machine represented in FIG. 1 comprises a first heat exchanger 6, referred to as a solution exchanger, between absorber 1 and desorber 3.
  • This solution exchanger 6 has the function of recovering heat from desorber 3, and to perform an internal regeneration between the depleted solution that leaves relatively hot desorber 3 and the enriched solution that leaves relatively cold absorber 1.
  • This first exchanger 6 thus already improves the efficiency of the system.
  • the absorption machine further comprises a second exchanger 6 which cools the liquid leaving the condenser 4 and whose flow rate is regulated using the regulator 17, and finally a third exchanger 6 between the condenser 4 and the evaporator 5, which serves to recover cold evaporator to cool the condenser liquid and thus limit the cold in the absorber to prevent freezing of poor water entering the absorber.
  • thermodynamics As the techniques and concepts of thermodynamics progress, the basic machines like the one illustrated in FIG. 1 have been improved by integrating different pumps to further increase the exchanges, and then the rectification column has acquired trays but also several floors to better recover the heat.
  • FIG. 2 An improved machine according to the state of the art is shown in FIG. 2. It comprises a first pump 12 between absorber 1 and desorber 3, which makes it possible to improve exchanges between impoverished solution and solution enriched with the mixture of water and ammonia.
  • a second pump 12 is provided at the outlet of the condenser 4 and thus increases the flow to the evaporator 5. How can one go from HP to BP without relaxation? There is relaxation by jet interposé. All known cold production systems, as described above briefly, consume a lot of energy, with a relatively low COP, to liquefy a gas.
  • the object of the invention is to at least partially meet this (these) need (s).
  • the subject of the invention is a gas liquefaction system comprising an absorption machine, intended to produce cryogenic cold by implementing an absorption cycle, the stage comprising an evaporator whose output is connected from upstream to downstream on the one hand to at least one exchanger for cooling the gas to be liquefied so as to lower its temperature from the ambient temperature to a given temperature, and on the other hand to a heat pump at Stirling, intended to implement a Stirling cycle, to complete the cooling of the gas to be liquefied so as to bring its temperature from that given to at least the condensation temperature of the gas.
  • the invention essentially consists in combining the efficiency of an absorption machine which serves to cool the gas to be liquefied and a downstream Stirling heat pump which will complete the cooling by liquefying the gas or each of these compounds. to the one with the lowest dew point.
  • the inventor has found that no known gas liquefaction system makes it possible to have sufficient energy efficiency (COP too low) to be economically viable for low volume gas production installations, such as as local facilities for the production of biogas or natural gas. Also, the inventor has analyzed that by combining an absorption machine and a Stirling heat pump, it was possible to obtain a liquefaction of a simple gas or compound at lower energy cost.
  • the system according to the invention is particularly intended for the liquefaction of biogas or methane for circulation in existing distribution networks.
  • the absorption machine according to the invention may be single stage comprising an absorber, a desorber, a rectification column, a condenser, and an evaporator. It can also be at least two stages in parallel, each stage comprising an absorber, a desorber, a rectification column, a condenser, and an evaporator. When the machine comprises at least two stages, this advantageously allows the liquefying of compound gases whose compounds have different condensation temperatures.
  • the machine may advantageously comprise a turbine connected between the rectification column and the condenser. It is thus possible to recover the mechanical energy produced by the turbine.
  • the machine may advantageously comprise a Stirling engine whose hot source is the condenser and the cold source is the refrigerant at the outlet of the evaporator. It is thus possible to recover the mechanical energy produced by the Stirling engine.
  • the Stirling engine or the turbine is arranged to drive a first circulation pump between absorber and desorber and / or a second circulation pump at the outlet of the condenser.
  • the system according to the invention can operate with or without compression of the gas to be liquefied.
  • the system according to the invention further comprises a compressor, an expander and a Stirling engine whose hot source is the gas to be liquefied, previously compressed in the compressor and the source cold is one of the compounds of the liquefied gas or the refrigerant from the expander. It is thus possible to further reduce the energy expenditure of the liquefaction according to the invention by recovering the compression heats resulting from the prior compression of the gas.
  • the system includes a tank connected at the outlet of the Stirling heat pump for temporarily storing the gas compound having the lowest dew point.
  • this temporary storage tank can be directly connected to an existing transmission and distribution network.
  • the system comprises a plurality of cascaded condensers between the inlet of the gas to be liquefied in the system and the Stirling heat pump, each condenser being connected to an independent reservoir for individually storing at least a portion of the compounds of the gas to be liquefied having dew points at higher temperatures than the compound with the lowest dew point. It is thus possible to obtain at a lower cost a separate production of several liquids from the gas.
  • biogas it is possible to obtain, in addition to the production of liquefied methane, a production of hydrogen, carbon dioxide, hydrogen sulphide, nitrogen and oxygen at the same time. or ammonia.
  • the inventor Confronted with the need to further reduce the energy expenditure of a liquefaction system according to the invention, the inventor has thought to recover the heat of absorption in the absorption machine and if necessary, the heat of compression from the preliminary compression of the gas when this takes place.
  • the inventor has started from a simple observation: the mixing reaction taking place in the absorber between the refrigerant and the absorbing fluid is very exothermic and produces a great deal more heat than it is necessary to bring to the desorber for the separation between these two fluids. Typically, this reaction produces about 50% more heat than is needed for separate the water from the ammonia.
  • the absorption heat output is 2000 kJ per kg of absorbed ammonia.
  • the subject of the invention is also an absorption machine, in particular intended to be implemented in a liquefaction system previously described, comprising at least one stage, each stage comprising an absorber, a desorber, a rectification column, a condenser, an evaporator and further comprising a Stirling heat pump, called the first Stirling heat pump, adapted to recover the heat released by each absorber and transfer it to each desorber.
  • a Stirling heat pump called the first Stirling heat pump
  • the invention also relates to an absorption machine, in particular intended to be implemented in a liquefaction system previously described, comprising at least one stage, each stage comprising an absorber, a desorber, a rectification column, a condenser, an evaporator and further comprising a Stirling heat pump, called the second Stirling heat pump, adapted to recover the heat released by the condenser and transfer it to the desorber.
  • an absorption machine in particular intended to be implemented in a liquefaction system previously described, comprising at least one stage, each stage comprising an absorber, a desorber, a rectification column, a condenser, an evaporator and further comprising a Stirling heat pump, called the second Stirling heat pump, adapted to recover the heat released by the condenser and transfer it to the desorber.
  • the same function can be maintained by a compression cycle in place of the Stirling heat pump.
  • the second Stirling heat pump can, either alone or in conjunction with the first Stirling heat pump, recover the heat transferred to the condenser to produce that required by the desorber.
  • the second heat pump Stirling can recover the heat transferred at the head of a distillation column to the condenser to restore it at the bottom of the boiler (desorber).
  • This can be advantageous in a purification process / system or in a gas liquefaction system according to the invention.
  • This implementation of the Stirling cycle is only possible thanks to its reversibility and the large temperature difference that can be obtained between the cold source and the hot source.
  • the excess heat resulting from the energy superiority of the absorber on the desorber added to that produced either alone or in conjunction with that of the condenser may also be used by another cycle stage or to operate a Stirling engine or a turbine whose mechanical energy will cause the circulation pumps.
  • the invention also relates to the use of the system which has just been described, for liquefying a simple gas or compound.
  • It can be a bio-methane from an anaerobic digestion unit.
  • the driving fluid of the Stirling heat pump may be preferably selected from nitrogen or hydrogen, for a condensing temperature of the gas compound having the lowest dew point, near and above 100K, or helium for a temperature below 70K.
  • the absorption machine can operate with a water / ammonia mixture or with a water / lithium bromide mixture.
  • the fluids of the absorption mixture are adapted according to the desired cooling requirements.
  • a condensation temperature of the gas compound having the lowest point of condensation of the order of 210 K a water / ammonia mixture is used.
  • a water / lithium bromide mixture is preferably used.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a single-stage absorption machine according to the state of the art
  • FIG. 2 is a diagrammatic representation of an improved one-stage absorption machine according to the state of the art, with two fluid circulation pumps,
  • FIG. 3 is a schematic representation of a single-stage absorption machine according to the invention, with two fluid circulation pumps and a Stirling engine, which advantageously constitutes the upstream part of a gas liquefaction system according to FIG. 'invention
  • FIG. 4 is a schematic representation of the downstream part of a liquefaction system of a single gas according to the invention
  • FIG. 5 is a schematic representation of a first variant of the absorption machine according to FIG. 3,
  • FIG. 6 is a schematic representation of a second variant of the absorption machine according to FIG. 2,
  • FIG. 7 is a schematic representation of a configuration implementing both the first variant according to FIG. 5 and the second variant according to FIG. 3,
  • FIGS. 8 to 10 are diagrammatic representations of the same first variant of the absorption machine as that in FIG. 5 but with two stages,
  • FIG. 11 is a schematic representation of the downstream part of a liquefaction system of a compound gas according to the invention.
  • FIGS. 12 and 12A are views respectively in perspective and in longitudinal section of a variant of a hot source sensor of a Stirling type heat pump or engine of beta type, which can advantageously be used upstream in a machine with two-stage absorption according to the invention or in the downstream part of a system for liquefying a gas according to the invention,
  • FIGS. 13 to 13B are views respectively in perspective and in longitudinal and top section of a heat exchanger variant of the cold source engine or Stirling heat pump of beta type, which can advantageously be used in a two-stage absorption machine according to the invention or in the downstream part of a system for liquefying a gas according to the invention.
  • the terms "input”, “output” “upstream”, “downstream”, are used by reference with the direction of flow on the one hand refrigerant in the upstream part constituted by the absorption machine and secondly the gas to be liquefied in the downstream portion of the liquefaction system of the invention,
  • FIG. 14 is a schematic representation of a variant of a single-stage absorption machine according to the invention, which advantageously constitutes the upstream part of a gas liquefaction system according to the invention, and in which a pump Stirling is located in order to recover the heat transferred to the condenser to restore it to the desorber.
  • Figures 1 and 2 relating to the state of the art have already been described in detail in the preamble. They will not be commented on below.
  • FIG. 3 An example of a liquefaction system for a single gas according to the invention is shown for its upstream part in FIG. 3 and for its downstream part in FIG. 4.
  • the simple gas that can be liquefied with such a system is, for example, hydrogen or oxygen.
  • the fluid mixture used in the absorption machine is a mixture of water and ammonia.
  • the absorption machine illustrated in FIG. 3 is in one stage and comprises, in addition to elements known as shown in FIG. 2, a Stirling heat pump 13 which recovers heat from the absorber 1 to transfer it to the desorber 3. This recovery is possible because the absorption of ammonia is highly exothermic and the heat released is approximately 1.5 times the heat required for desorption. Thus, the absorption machine according to Figure 3 has a much better energy efficiency than a machine according to Figure 2.
  • the pump 13 can be driven by an electric motor or a heat engine as shown in FIG.
  • the inlet 23 and the outlet 24 of the evaporator 5 are connected to the downstream part of the simple gas liquefaction system.
  • This downstream part also comprises from upstream to downstream an inlet of the gas 00 and a compressor 0.
  • the gas to be liquefied is initially cooled by the Stirling engine 16 whose operation is described below.
  • the outlet 24 of the evaporator 5 is connected downstream firstly to a first exchanger 6 for cooling the gas to be liquefied from the Stirling engine 16 so as to lower its temperature from room temperature to a given temperature and secondly, to a Stirling 15 heat pump to complete the cooling gas to be liquefied so as to bring its temperature from that given to at least the condensing temperature.
  • the refrigerant Before reaching the Stirling heat pump 15, the refrigerant is expanded by means of a pressure reducer 30.
  • the gas to be liquefied is also cooled by a second exchanger 6, downstream of the first, by exchange with the refrigerant coming from the outlet 24. Once this second exchanger 6 has passed, the fluid refrigerant returns to the inlet 23 of the evaporator 5. This second cooling can be optional.
  • the single gas which is condensed is collected in its tank 25 to be discharged individually by means of a valve 26.
  • venturis 29 At the outlet of the exchangers 6, the return of the refrigerant to the evaporator 5 of the absorption machine is provided by venturis 29.
  • the Stirling heat pump 15 according to the invention can be driven electrically or alternatively by the Stirling engine 16.
  • the Stirling engine 16 has hot source 111 the hot compressed gas from the compressor 0 and as a cold source the refrigerant from the outlet 24 and expanded by means of a pressure regulator 30 upstream of the engine 16.
  • a Stirling engine 14 is advantageously arranged so that its hot source is the heat released by the condenser 4 and its cold source is the refrigerant of the machine that leaves the evaporator 5.
  • This engine 14 can cause by the same shaft both Stirling heat pump 13 and firstly the circulation pump 12 between absorber 1 and desorber 3 and secondly the circulation pump 12 between grinding column 2 and condenser 4.
  • the absorption machine illustrated in FIG. 7 comprises this turbine 18 and the heat pump 13.
  • Figures 8 to 10 illustrate an absorption machine like that of Figure 5 but with two stages in parallel.
  • a single heat pump Stirling 13 recovers the heat of the two absorbers 1 to transfer it to the two desorbers 3.
  • a single Stirling engine 14 has as hot source the heat released by the two condensers 4 and as a cold source the refrigerants coming out of the two evaporators 5.
  • This single Stirling engine also drives the four circulation pumps 12.
  • the cold source of the Stirling engine 14 may be from the absorption cycle itself ( Figure 8) or comes from liquefied gas downstream ( Figure 10).
  • the downstream portion of the system according to the invention illustrated in this FIG. 11 allows, for example, the liquefaction of a biogas with the condensation of its main compounds which are carbon dioxide (C0 2 ), which is the compound whose point of liquefaction is the lowest, ammonia (NH3), hydrogen sulfide (H 2 S), water (H2O) and volatile organic carbons.
  • C0 2 carbon dioxide
  • NH3 ammonia
  • H 2 S hydrogen sulfide
  • H2O water
  • volatile organic carbons volatile organic carbons.
  • the machine comprises downstream of the first exchanger 6, an optional adsorption dryer 19 which removes water from the gas to be liquefied. It further comprises a trap 22 for condensed water.
  • a first condenser 20 makes it possible to condense the compound which has the lowest point of condensation, the CO 2 in the example of biomethane.
  • the main gas isolated the methane in the example of the biogas
  • the main gas isolated also passes through an exchanger 6, the most downstream, to be cooled.
  • the cooling of the main gas is obtained by the expansion of the gaseous compound immediately upstream obtained by the expander 30 at the inlet of the exchanger 6 further downstream.
  • a filter 27 is advantageously positioned downstream of the latter exchanger to remove any crystals of gases that would be solidified during treatment. Unclogging is ensured by a slight warming of the crystals at room temperature.
  • the return of the refrigerant is also done at the outlet of all the exchangers 6 and is provided by the venturis 29.
  • the insulated main gas is vented to its independent reservoir 25 for storage there at least temporarily before further use.
  • FIGS. 12 and 12A show an advantageous variant of a hot source sensor of a motor 14, or a Stirling 1 pump, of beta type, which makes it possible to exchange with one of the components of an absorption machine according to the two-stage invention as shown in FIGS. 8 to 10.
  • the displacer piston 60 moves in its liner 61.
  • the sensor body comprises exchange fins 62 separated in two groups by a partition defining two exchange chambers 63, 64 each for a stage.
  • tubing 65 inlet and outlet of each of the stages.
  • FIGS. 13 to 13B show an advantageous variant of a cold source exchanger of a motor 14, or a Stirling 1 pump, of the beta type, which makes it possible to exchange with one of the components of an abso ⁇ tion machine according to the two-stage invention as shown in FIGS. 8 to 10.
  • the engine piston 77 moves in its liner 71.
  • the displacer piston 76 is slidably mounted inside the engine piston 77.
  • Such a Stirling motor 14 can be used for connection with two different exchangers 6 each belonging to a stage of the absorption machine.
  • the liquefaction system which has just been described has an excellent energy efficiency and can thus be envisaged for the liquefaction of gases produced by small volumes such as in biogas plants.
  • FIG. 14 shows an advantageous variant of an absorption machine comprising a Stirling heat pump 17 implemented to recover at the top of the column 2.2, the heat transferred by the condenser 4 and to return it at the bottom to the boiler or desorber 3 by through the exchangers 6.
  • the Stirling heat pump 13 of FIG. 3 can be combined in the same absorption machine with the Stirling heat pump 17 of FIG. 14.
  • the heats of the absorber and the condenser are each recovered by a Stirling heat pump and their sum feeds the entire heat requirement of the desorber. This is very advantageous because the absorption cycle can then operate without exchange with the ambient air.
  • a hot source it is possible to consider instead of the heat generated by a hot compressed gas from a compressor, a hot gas from a gas burner or other means.
  • the ejector (s) 29 instead of arranging the ejector (s) 29 immediately after the exit 00 of the gas to be liquefied, it is conceivable to place them between the dryer 19 and the first condenser 20.
  • the gas to be liquefied is a biogas from a methanation unit, it is advantageous to envisage arranging between the Stirling engine 16 and the first condenser 20, an energy recovery exchanger for exchange with the methanation effluents. .

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Abstract

L'invention concerne un système de liquéfaction de gaz comprenant une machine à absorption (1, 2, 3, 4, 5) à au moins un étage, destinée à produire du froid cryogénique par mise en œuvre d'un cycle à absorption, l'étage comprenant un évaporateur (5) dont la sortie (24) est reliée d'amont en aval d'une part à au moins un échangeur (6) pour refroidir le gaz à liquéfier de sorte à abaisser sa température depuis celle ambiante jusqu'à une température donnée, et d'autre part à une pompe à chaleur à compression ou Stirling (15), destinée à mettre en œuvre un cycle de Stirling, pour compléter le refroidissement du gaz à liquéfier de sorte à amener sa température depuis celle donnée jusqu'à au moins la température de condensation du gaz.

Description

SYSTEME DE LIQUEFACTION DE GAZ A MACHINE A ABSORPTION ET
POMPE A CHALEUR STIRLING
Domaine technique
La présente invention concerne un système de liquéfaction de gaz comprenant une machine à absorption destinée à produire du froid cryogénique, c'est-à-dire à la température de condensation des gaz simples naturels par mise en œuvre d'un cycle à absorption.
L'invention vise plus particulièrement à l'amélioration du rendement énergétique d'installations de liquéfaction de gaz simples ou composés selon l'état de l'art.
La présente invention est destinée à toutes applications de liquéfaction de gaz par froid cryogénique, et plus particulièrement aux installations de gisement ou de production de gaz pour lesquelles la liquéfaction est recherchée à des fins avantageuses de stockage et/ou de transport.
Plus particulièrement encore, la présente invention permet d'envisager une production de gaz liquéfié à moindre coût énergétique dans des installations locales de production de bio-méthane ou de gisement de gaz naturel, mais aussi de l'hydrogène, de l'hélium, ou plus généralement de gaz issus de l'atmosphère comme l'azote, l'oxygène, les gaz rares.
Etat de la technique
De nombreux procédés et systèmes de liquéfaction de gaz sont connus, en particulier pour le gaz naturel extrait de gisements.
Le principe de liquéfaction d'un gaz consiste à le refroidir pour l'amener, à pression atmosphérique normale, à une température très basse, typiquement inférieure à 125 K, à laquelle se produit un changement d'état gazeux à liquide. Ce changement d'état diminue le volume du gaz, typiquement de l'ordre de 600 fois pour le gaz naturel, ce qui permet de transporter de plus grandes quantités de gaz à moindre coût de transport.
La liquéfaction des gaz est donc un procédé cryogénique, c'est-à-dire un procédé fonctionnant à très basse température.
On peut classer les catégories de procédés thermodynamiques cryogéniques, comme suit:
• les procédés à détente isenthalpique de Joule-Thomson ou suivant le cycle de Linde, • les cycles inverses de Brayton à détente isentropique.
• les procédés mixtes associant une détente isenthalpique et une détente isentropique (cycle de Claude).
• les cycles dits en cascades, classiques ou intégrées.
Tous ces procédés consomment beaucoup d'énergie.
Certains autres procédés connus mettent en œuvre uniquement des pompes à chaleur à haute énergie, dites pompes à chaleur Stirling, qui mettent en oeuvre un cycle de Stirling. Ces procédés connus sont plus adaptés aux installations de production de froid cryogénique de faibles volumes. L'inconvénient de ce type de procédés connus est qu'ils présentent un relativement faible coefficient de performance (COP), le COP étant le rapport entre l'énergie utile (froid produit) et l'énergie consommée (payée) pour faire fonctionner la pompe à chaleur. En effet, le gaz à liquéfier est initialement à une température ambiante et l'énergie consommée exclusivement par une pompe à chaleur Stirling pour atteindre la température de cryogénie recherchée ou, au moins celle de température de liquéfaction du gaz est élevée, d'où un COP faible.
Par ailleurs, il existe d'autres systèmes de production de froid par compression d'un fluide frigorigène assurée lors d'une phase de compression.
En fonction du moyen utilisé pour augmenter la pression et la température de ce fluide, on peut distinguer deux types de systèmes: les machines à compression mécanique et celles à absorption. Les machines à absorption ont un COP généralement moins élevé que les systèmes à compression qui sont utilisés plus classiquement dans une climatisation ou une réfrigération. Cependant, ils permettent de réutiliser les chaleurs fatales (chaleur de fin de cycle difficilement réutilisable) sans consommer plus d'énergie. Les machines à absorption sont reconnus pour leur fiabilité, car ils peuvent notamment fonctionner par thermosiphon sans pompe, ni pièce mobile.
Les machines à compression mécanique, comprennent dans un circuit fermé un compresseur mécanique entraîné par un moteur électrique pour assurer la compression d'un gaz caloporteur, un refroidisseur, en aval du compresseur, pour refroidir le gaz comprimé, un condenseur dans lequel le gaz refroidi se condense et un évaporateur qui produit le froid par évaporation du gaz caloporteur. Dans ces machines, le gaz caloporteur utilisé est souvent un gaz fluorocarboné, mais aussi de l'ammoniac aux meilleures caractéristiques. Il existe aussi des systèmes de production de froid cryogénique à tube à gaz puisé ou des systèmes thermo-acoustiques. La demande internationale de brevet WO02/090726 décrit un tel système dans lequel un moteur thermo-acoustique est mis en œuvre en combinaison avec un réfrigérateur à tube puisé. De tels systèmes ont pour inconvénients majeurs de n'être dédiés qu'à la production du froid et de présenter un rendement faible.
Dans les machines à absorption, le passage de l'évaporateur vers le condenseur est réalisé par mélange d'un fluide frigorigène à un autre fluide dit absorbant. Ce mélange va permettre le passage du fluide frigorigène d'un niveau de basse pression/basse température à un niveau de haute pression/haute température sous l'effet d'un apport de chaleur.
Les propriétés de l'absorbant sont, de par son affinité très grande avec le frigorigène, d'absorber des vapeurs de frigorigène à basse pression et de s'en séparer par chauffage à haute pression.
Les couples de fluides frigorigène/absorbant utilisés dans les systèmes à absorption connus sont de deux types: ammoniac/eau (NH3/H2O) dilué et eau/bromure de lithium (H20/LiBr) en solution aqueuse.
On a représenté schématiquement en figure 1 une machine à absorption de base selon l'état de l'art, fonctionnant avec un couple ammoniac/eau. Cette machine est mise en œuvre actuellement en tant que système de réfrigération de mini bars que l'on trouve dans les hôtels. Cette machine comporte un seul étage avec d'amont en aval dans l'ordre du cycle d'absorption, les composants essentiels suivants reliés entre eux :
- un désorbeur 3, aussi appelé bouilleur, dans lequel est apportée la chaleur depuis l'extérieur, pour séparer l'eau de l'ammoniac,
- une colonne de rectification 2 reliée au désorbeur 3, et qui permet de séparer la vapeur d'eau de l'ammoniac,
- un condenseur 4 relié à la colonne 2 et dans lequel l'ammoniac gaz se condense en liquide et la chaleur, qui a été apportée à l'ammoniac dans le désorbeur 3, est dissipée vers l'extérieur,
- un évaporateur 5 relié au condenseur 4, et qui produit le froid et dans lequel l'ammoniac est évaporée, - un absorbeur 1 relié à l'évaporateur 5, et dans lequel l'eau et l'ammoniac sont mélangées à nouveau.
Cette réaction de mélange est très exothermique. Ainsi, la production de chaleur d'absorption est de 2000 kJ par kg d'ammoniac absorbée. Comme montré sur cette figure 1, cette chaleur est évacuée vers l'extérieur.
Sur cette figure 1, la ligne en pointillés verticale symbolise la séparation des fluides à basse pression (BP) et ceux à haute pression (HP) dans le cycle.
En plus de ces composants essentiels, la machine représentée en figure 1 comporte un premier échangeur de chaleur 6, dit échangeur de solutions, entre absorbeur 1 et le désorbeur 3. Cet échangeur de solutions 6 a pour fonction de récupérer la chaleur du désorbeur 3, et d'effectuer une régénération interne entre la solution appauvrie qui sort relativement chaude du désorbeur 3 et la solution enrichie qui sort relativement froide de l'absorbeur 1. Ce premier échangeur 6 améliore ainsi déjà le rendement du système.
La machine à absorption comporte en outre un deuxième échangeur 6 qui refroidit le liquide sortant du condenseur 4 et dont le débit est régulé à l'aide du régulateur 17, et enfin un troisième échangeur 6 entre condenseur 4 et évaporateur 5, qui sert à récupérer le froid de l'évaporateur pour refroidir le liquide du condenseur et ainsi limiter le froid dans l'absorbeur afin d'éviter la congélation de l'eau pauvre entrant dans l'absorbeur.
Ainsi, un fluide frigorigène en entrée 23 à l'évaporateur 5 est évacué froid par la sortie 24.
Au fur et à mesure de l'avancée des techniques et des notions de thermodynamique, les machines de base comme celle illustrée en figure 1 ont été améliorées en y intégrant différentes pompes pour augmenter encore les échanges, puis la colonne de rectification s'est dotée de plateaux mais aussi de plusieurs étages pour mieux récupérer les chaleurs.
Une machine améliorée selon l'état de l'art est représentée en figure 2. Elle comporte une première pompe 12 entre absorbeur 1 et désorbeur 3, qui permet d'améliorer les échanges entre solution appauvrie et solution enrichie du mélange eau et ammoniac. Une deuxième pompe 12 est prévue à la sortie du condenseur 4 et augmente ainsi le débit vers l'évaporateur 5. Comment peut-on passer de HP à BP sans détente ? Il y a détente par gicleur interposé. Tous les systèmes de production de froid connus, comme décrit ci-dessus brièvement, consomment beaucoup d'énergie, avec un COP relativement faible, pour liquéfier un gaz.
Cela les rend donc peu viables économiquement dans des installations de production de gaz de faibles volumes qu'on souhaite liquéfier, notamment dans les installations de faibles volumes de gisements de gaz naturel ou de bio-méthane, issu de ce qui est appelé biogaz qui est un mélange de plusieurs composants.
Il existe donc un besoin général d'améliorer les systèmes de liquéfaction de gaz, notamment afin de réduire leur consommation d'énergie.
Il existe un besoin particulier de trouver un système de liquéfaction de gaz qui réponde au besoin général et qui soit peu coûteux à réaliser et fiable.
Le but de l'invention est de répondre au moins partiellement à ce(s) besoin(s).
Exposé de l'invention
Pour ce faire, l'invention a pour objet un système de liquéfaction de gaz comprenant une machine à absorption, destinée à produire du froid cryogénique par mise en œuvre d'un cycle à absorption, l'étage comprenant un évaporateur dont la sortie est reliée d'amont en aval d'une part à au moins un échangeur pour refroidir le gaz à liquéfier de sorte à abaisser sa température depuis celle ambiante jusqu'à une température donnée, et d'autre part à une pompe à chaleur à Stirling, destinée à mettre en œuvre un cycle de Stirling, pour compléter le refroidissement du gaz à liquéfier de sorte à amener sa température depuis celle donnée jusqu'à au moins la température de condensation du gaz.
Ainsi, l'invention consiste essentiellement à combiner l'efficacité d'une machine à absorption qui sert à refroidir le gaz à liquéfier et d'une pompe à chaleur Stirling en aval qui va terminer le refroidissement en liquéfiant le gaz ou chacun de ces composés jusqu'à celui dont le point de condensation est le plus bas.
Comme déjà évoqué en préambule, l'inventeur a constaté qu'aucun système de liquéfaction de gaz connu ne permettait d'avoir un rendement énergétique suffisant (COP trop faible) pour être viable économiquement pour des installations de production de gaz de faibles volumes, telles que les installations locales de production de biogaz ou de gaz naturel. Aussi, l'inventeur a analysé qu'en combinant une machine à absorption et une pompe à chaleur Stirling, il était possible d'obtenir une liquéfaction d'un gaz simple ou composé à moindre coût énergétique.
Avec le système selon l'invention, il est envisageable de liquéfier tout gaz simple ou composé, qu'il soit à pression atmosphérique ou comprimé, dont le point de condensation est inférieur à la température la plus basse du cycle de Stirling mis en œuvre par la pompe à chaleur Stirling utilisant fluide moteur ledit gaz.
Le système selon l'invention est particulièrement destiné à la liquéfaction des biogaz ou du méthane pour la circulation dans les réseaux de distribution existants.
La machine à absorption selon l'invention peut-être à étage unique comportant un absorbeur, un désorbeur, une colonne de rectification, un condenseur, et un évaporateur. Elle peut être également à au moins deux étages en parallèle, chaque étage comportant un absorbeur, un désorbeur, une colonne de rectification, un condenseur, et un évaporateur. Lorsque la machine comporte au moins deux étages, cela permet avantageusement de liquéfier des gaz composés dont les composés ont des températures de condensation différentes.
De plus, on peut encore récupérer une autre partie de la chaleur dégagée par le fluide frigorigène dans le cycle en sortie de colonne de rectification.
Ainsi, selon une première variante, la machine peut comporter avantageusement une turbine reliée entre la colonne de rectification et le condenseur. On peut ainsi récupérer l'énergie mécanique produite par la turbine.
Selon une deuxième variante, la machine peut comporter avantageusement un moteur Stirling dont la source chaude est le condenseur et la source froide est le fluide frigorigène en sortie d' évaporateur. On peut ainsi récupérer l'énergie mécanique produite par le moteur Stirling.
Quelle que soit la première ou deuxième variante envisagée, on peut avantageusement entraîner une ou des pompes de circulation de fluide dans la machine à absorption par l'énergie électrique produite le moteur Stirling ou la turbine. De préférence, le moteur Stirling ou la turbine est agencé(e) pour entraîner une première pompe de circulation entre absorbeur et désorbeur et/ou une deuxième pompe de circulation à la sortie du condenseur. Le système selon l'invention peut fonctionner avec ou sans compression du gaz à liquéfier.
Ainsi, dans le cas où l'on souhaite comprimer le gaz, le système selon l'invention comporte en outre un compresseur, un détendeur et un moteur Stirling dont la source chaude est le gaz à liquéfier, préalablement comprimé dans le compresseur et la source froide est un des composés du gaz liquéfié ou le fluide frigorigène issu du détendeur. On peut ainsi diminuer encore les dépenses énergétiques de la liquéfaction selon l'invention en récupérant les chaleurs de compression issues de la compression préalable du gaz.
De préférence, le système comporte un réservoir relié en sortie de la pompe à chaleur Stirling pour stocker temporairement le composé de gaz ayant le point de condensation le plus bas. Lorsqu'il s'agit de méthane liquéfié à partir d'un biogaz issu d'une unité de méthanation, ce réservoir de stockage temporaire peut être relié directement à un réseau de transport et distribution existant.
Selon un mode de réalisation avantageux, le système comporte une pluralité de condenseurs en cascade entre l'entrée du gaz à liquéfier dans le système et la pompe à chaleur Stirling, chaque condenseur étant relié à un réservoir indépendant pour stocker individuellement au moins une partie des composés du gaz à liquéfier ayant des points de condensation à des températures supérieures à celle du composé ayant le point de condensation le plus bas. On peut ainsi obtenir à moindre un coût une production séparée de plusieurs liquides issus du gaz. Ainsi, lorsqu'il s'agit de biogaz, on peut obtenir en plus de la production du méthane liquéfié, une production à la fois d'hydrogène, de dioxyde de carbone, de sulfure d'hydrogène, d'azote, d'oxygène ou d'ammoniac.
Confronté à la nécessité de diminuer encore les dépenses énergétiques d'un système de liquéfaction selon l'invention, l'inventeur a pensé à récupérer les chaleurs d'absorption dans la machine à absorption et le cas échéant, les chaleurs de compression issues de la compression préalable du gaz lorsque celle-ci a lieu.
En effet, pour ce qui concerne les chaleurs de l'absorption, l'inventeur est parti d'un constat simple : la réaction de mélange qui a lieu à l'absorbeur entre le fluide frigorigène et le fluide absorbant est très exothermique et produit beaucoup plus de chaleur qu'il est nécessaire d'apporter au désorbeur pour la séparation entre ces deux fluides. Typiquement, cette réaction produit environ 50% de plus de chaleur qu'il n'en faut pour séparer l'eau de l'ammoniac. La production de chaleur d'absorption est de 2000 kJ par kg d'ammoniac absorbée.
Et de manière surprenante, il semble que, jusqu'à présent, personne n'ait pensé à mettre à profit ce surplus de chaleur à absorbeur ou au condenseur pour en réintroduire au moins la partie nécessaire à la séparation dans le désorbeur.
Ainsi, l'invention a encore pour objet une machine à absorption, notamment destinée à être mise en œuvre dans un système de liquéfaction précédemment décrit, comprenant au moins un étage, chaque étage comportant un absorbeur, un désorbeur, une colonne de rectification, un condenseur, un évaporateur et comportant en outre une pompe à chaleur Stirling, dite première pompe à chaleur Stirling, adaptée pour récupérer la chaleur dégagée par chaque absorbeur et la transférer à chaque désorbeur. La même fonction peut être tenue par un cycle à compression en lieu et place de la pompe à chaleur Stirling.
L'invention a encore pour objet une machine à absorption, notamment destinée à être mise en œuvre dans un système de liquéfaction précédemment décrit, comprenant au moins un étage, chaque étage comportant un absorbeur, un désorbeur, une colonne de rectification, un condenseur, un évaporateur et comportant en outre une pompe à chaleur Stirling, dite deuxième pompe à chaleur Stirling, adaptée pour récupérer la chaleur dégagée par le condenseur et la transférer au désorbeur. La même fonction peut être tenue par un cycle à compression en lieu et place de la pompe à chaleur Stirling.
Autrement dit, la deuxième pompe à chaleur Stirling peut soit isolément, soit conjointement à la première pompe à chaleur Stirling, récupérer la chaleur cédée au condenseur pour produire celle nécessaire au désorbeur.
Selon une variante avantageuse, la deuxième pompe à chaleur Stirling peut récupérer la chaleur cédée en tête d'une colonne de distillation au condenseur pour la restituer en pied du bouilleur (désorbeur). Cela peut être avantageux dans un procédé/système d'épuration ou dans un système de liquéfaction de gaz selon l'invention. Cette mise en œuvre du cycle de Stirling n'est possible que grâce à sa réversibilité et au fort écart de température qui peut être obtenu entre la source froide et la source chaude.
Dans la mise en œuvre préférée dans le système de liquéfaction de gaz, l'excédent de chaleur résultant de la supériorité énergétique de l'absorbeur sur le désorbeur additionnée à celle produite soit isolément soit conjointement à celle du condenseur peut aussi être utilisée par un autre étage de cycle ou pour faire fonctionner un moteur Stirling ou une turbine dont l'énergie mécanique entraînera les pompes de circulation.
L'invention a également pour objet l'utilisation du système qui vient d'être décrit, pour liquéfier un gaz simple ou composé.
II peut s'agir d'un bio-méthane issu d'une unité de méthanisation.
Dans cette utilisation, on peut mettre en œuvre la cascade de condenseurs et de réservoirs indépendants, pour stocker temporairement et individuellement le méthane et au moins une partie de ses composés choisi parmi l'hydrogène, le dioxyde de carbone, le sulfure d'hydrogène, l'azote, l'oxygène et l'ammoniac.
Le fluide moteur de la pompe à chaleur Stirling peut être de préférence choisi parmi l'azote ou l'hydrogène, pour une température de de condensation du composé du gaz ayant le point de condensation le plus bas, proche et supérieure à 100K, ou être l'hélium pour une température au-dessous de 70K.
La machine à absorption peut fonctionner avec un mélange eau/ammoniac ou avec un mélange eau/bromure de lithium. De manière générale, on adapte les fluides du mélange d'absorption en fonction des besoins de refroidissement désiré. De préférence, pour une température de condensation du composé du gaz ayant le point de condensation le plus bas de l'ordre de 210K, on utilise un mélange eau/ammoniac. Lorsqu'on souhaite obtenir la température la plus basse au-dessus de 273 °K, alors on utilise de préférence un mélange eau/bromure de lithium.
Description détaillée
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d'exemples de mise en œuvre de l'invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles :
- la figure 1 est une représentation schématique d'une machine à absorption à un étage selon l'état de l'art,
- la figure 2 est une représentation schématique d'une machine à absorption à un étage améliorée selon l'état de l'art, avec deux pompes de circulation de fluide,
- la figure 3 est une représentation schématique d'une machine à absorption à un étage selon l'invention, avec deux pompes de circulation de fluide et un moteur Stirling, qui constitue avantageusement la partie amont d'un système de liquéfaction de gaz selon l'invention, - la figure 4 est une représentation schématique de la partie aval d'un système de liquéfaction d'un gaz simple selon l'invention,
- la figure 5 est une représentation schématique d'une première variante de la machine à absorption selon la figure 3,
- la figure 6 est une représentation schématique d'une deuxième variante de la machine à absorption selon la figure 2,
- la figure 7 est une représentation schématique d'une configuration mettant en œuvre à la fois la première variante selon la figure 5 et la deuxième variante selon la figure 3,
- les figures 8 à 10 sont des représentations schématiques de la même première variante de la machine à absorption que celle sur la figure 5 mais avec deux étages,
- la figure 11 est une représentation schématique de la partie aval d'un système de liquéfaction d'un gaz composé selon l'invention,
- les figures 12 et 12A sont des vues respectivement en perspective et en coupe longitudinale d'une variante de capteur de la source chaude d'un moteur ou de pompe à chaleur Stirling de type béta, qui peut être utilisé avantageusement en amont dans une machine à absorption à deux étages selon l'invention ou dans la partie aval d'un système de liquéfaction d'un gaz selon l'invention,
- les figures 13 à 13B des vues respectivement en perspective et en coupe longitudinale et de dessus d'une variante d'échangeur de la source froide d'un moteur ou de pompe à chaleur Stirling de type béta, qui peut être utilisé avantageusement dans une machine à absorption à deux étages selon l'invention ou dans la partie aval d'un système de liquéfaction d'un gaz selon l'invention. Dans la description qui va suivre ainsi que dans l'ensemble de la demande les termes « entrée », « sortie » « amont », « aval », sont utilisés par référence avec le sens de circulation d'une part du fluide frigorigène dans la partie amont constituée par la machine à absorption et d'autre part du gaz à liquéfier dans la partie aval du système de liquéfaction l'invention,
- la figure 14 est une représentation schématique d'une variante d'une machine à absorption à un étage selon l'invention, qui constitue avantageusement la partie amont d'un système de liquéfaction de gaz selon l'invention, et dans laquelle une pompe à chaleur Stirling est implantée de sorte à récupérer la chaleur cédée au condenseur pour la restituer en pied de désorbeur. Les figures 1 et 2 relatives à l'état de l'art ont déjà été décrites en détail en préambule. Elles ne seront pas donc pas commentées ci-après.
Par souci, à l'exception des différentes pompes à chaleur Stirling et moteurs Stirling selon l'invention, les mêmes éléments de machine à absorption selon l'état de l'art et selon l'invention ainsi que ceux de la partie aval du système selon l'invention, sont désignées par les mêmes références numériques.
Un exemple de système de liquéfaction d'un gaz simple selon l'invention est montré pour sa partie amont en figure 3 et pour sa partie aval en figure 4. Le gaz simple que l'on peut liquéfier avec un tel système est par exemple de l'hydrogène ou de l'oxygène.
Dans cet exemple, le mélange de fluides utilisé dans la machine à absorption est un mélange d'eau et d'ammoniac.
La machine à absorption illustrée en figure 3 est à un étage et comporte en plus des éléments connus comme montrés en figure 2, une pompe à chaleur Stirling 13 qui récupère la chaleur de l'absorbeur 1 pour la transférer au désorbeur 3. Cette récupération est possible du fait que l'absorption de l'ammoniaque est fortement exothermique et la chaleur dégagée est environ égale à 1,5 fois la chaleur nécessaire à la désorption. Ainsi, la machine à absorption selon la figure 3 présente un bien meilleur rendement énergétique qu'une machine selon la figure 2.
La pompe 13 peut être entraînée par un moteur électrique ou un moteur thermique comme montré sur la figure 3.
Comme on peut le voir sur les figures 3 et 4, l'entrée 23 et la sortie 24 de l'évaporateur 5 sont reliées sur la partie aval du système de liquéfaction de gaz simple.
Cette partie aval comporte par ailleurs d'amont en aval une arrivée du gaz 00 et un compresseur 0.
Le gaz à liquéfier subit un refroidissement initial par le moteur Stirling 16 dont le fonctionnement est décrit ci-après.
Selon l'invention, la sortie 24 de l'évaporateur 5 est reliée en aval d'une part à un premier échangeur 6 pour refroidir le gaz à liquéfier provenant du moteur Stirling 16 de sorte à abaisser sa température depuis la température ambiante jusqu'à une température donnée et d'autre part, à une pompe à chaleur Stirling 15 pour compléter le refroidissement du gaz à liquéfier de sorte à amener sa température depuis celle donnée jusqu'à au moins la température de condensation.
Avant d'arriver sur la pompe à chaleur Stirling 15, le fluide frigorigène est détendu au moyen d'un détendeur 30.
Sur cette figure 4 également, on peut voir que le gaz à liquéfier est également refroidi par un deuxième échangeur 6, en aval du premier, par échange avec le fluide frigorigène issu de la sortie 24. Une fois passé ce deuxième échangeur 6, le fluide frigorigène retourne en entrée 23 de l'évaporateur 5. Ce deuxième refroidissement peut être optionnel.
En sortie, le gaz simple qui est condensé est collecté dans son réservoir 25 pour être évacué individuellement au moyen d'une vanne 26.
A la sortie des échangeurs 6, le retour du fluide frigorigène vers l'évaporateur 5 de la machine à absorption, est assuré par des venturis 29.
Comme indiqué sur la figure 4, la pompe à chaleur Stirling 15 selon l'invention peut être entraînée électriquement ou de manière alternative par le moteur Stirling 16.
Sur cette figure 4, le moteur Stirling 16 a comme source chaude 111 le gaz comprimé chaud issu du compresseur 0 et comme source froide le fluide frigorigène issu de la sortie 24 et détendu au moyen d'un détendeur 30 en amont du moteur 16.
En figure 5, un moteur Stirling 14 est avantageusement agencé de telle sorte que sa source chaude soit la chaleur dégagée par le condenseur 4 et sa source froide est le fluide frigorigène de la machine qui sorte de l'évaporateur 5. Ce moteur 14 peut entraîner par un même arbre à la fois la pompe à chaleur Stirling 13 et d'une part la pompe de circulation 12 entre absorbeur 1 et désorbeur 3 et d'autre part la pompe de circulation 12 entre colonne de rectification 2 et condenseur 4.
En lieu et place du moteur Stirling 14, on peut agencer une turbine 18 entre colonne de rectification 2 et condenseur 4, comme illustré en figure 6, l'énergie dégagée par celle-ci étant alors suffisante pour entraîner les deux pompes de circulation 12.
La machine à absorption illustrée en figure 7 comprend cette turbine 18 et la pompe à chaleur 13.
Les figures 8 à 10 illustrent une machine à absorption comme celle de la figure 5 mais avec deux étages en parallèle. Ainsi, une seule pompe à chaleur Stirling 13 récupère la chaleur des deux absorbeurs 1 pour la transférer aux deux désorbeurs 3. De même, un seul moteur Stirling 14 a comme source chaude la chaleur dégagée par les deux condenseurs 4 et comme source froide les fluides frigorigène qui sortent des deux évaporateur 5. Ce moteur Stirling unique entraîne également les quatre pompes de circulation 12. La source froide du moteur Stirling 14 peut être issue du cycle à absorption lui-même (figure 8) ou venir vient du gaz liquéfié en aval (figure 10).
En dupliquant les étages de la machine à absorption, on peut liquéfier en aval des gaz composés dont les composés ont des températures de condensation différentes, comme dans la partie aval illustrée en figure 11.
La partie aval du système selon l'invention illustrée sur cette figure 11 permet par exemple, la liquéfaction d'un biogaz avec la condensation de ses composés principaux que sont le dioxyde de carbone (C02), qui est le composé dont le point de liquéfaction est le plus bas, l'ammoniac (NH3), l'hydrogène sulfuré (H2S), l'eau (H2O) et les carbones organiques volatiles.
En plus des éléments déjà décrits pour la machine de la figure 4, la machine comporte en aval du premier échangeur 6, un sécheur à adsorption optionnel 19 qui permet d'éliminer l'eau du gaz à liquéfier. Elle comporte en outre un purgeur 22 pour l'eau condensée.
Un premier condenseur 20 permet de condenser le composé qui a le point de condensation le plus bas, le C02 dans l'exemple du biométhane.
En aval, d'autres condenseurs en cascade 20 équipés chacun d'un échangeur 6 permettent de condenser individuellement chaque composé par échange avec le fluide frigorigène en provenance de la sortie 24 du ou des évaporateurs 5. Un détendeur 30 en amont de chaque échangeur 6, sert à régler la température de condensation de chaque condenseur 20. Chaque composé gazeux condensé est stocké au moins temporairement dans un réservoir indépendant 25 et pour être évacué individuellement au moyen d'une vanne 26. Dans l'exemple illustré de la figure 11, il est prévu de condenser (liquéfier) cinq composés d'un gaz initial en entrée 00. Il va de soi que si le gaz initial comporte plus de composés gazeux à liquéfier, on prévoit un nombre de condenseurs en cascade plus important.
Après la cascade des condenseurs 20, le gaz principal isolé, le méthane dans l'exemple du biogaz, traverse lui aussi un échangeur 6, le plus en aval, pour être refroidi. Comme on peut le voir sur cette figure 11, le refroidissement du gaz principal est obtenu par la détente du composé gazeux immédiatement en amont obtenu par le détendeur 30 en entrée de l'échangeur 6 le plus en aval.
Un filtre 27 est avantageusement positionné en aval de ce dernier échangeur pour éliminer les éventuels cristaux des gaz qui seraient solidifiés en cours de traitement. Le décolmatage est assuré par un léger réchauffement des cristaux à la température ambiante.
Le retour du fluide frigorigène se fait également à la sortie de tous les échangeurs 6 et est assuré par les venturis 29.
Après le filtre 27, le gaz principal isolé arrive dans la pompe à chaleur Stirling
15 qui le liquéfie.
Une fois liquéfié, le gaz principal isolé est évacué dans son réservoir indépendant 25 pour y être stocké au moins temporairement avant utilisation ultérieure.
Les figures 12 et 12A montrent une variante avantageuse d'un capteur de sources chaudes d'un moteur 14, ou d'une pompe Stirling 1, de type béta, qui permet d'échanger avec un des composants d'une machine à absorption selon l'invention à deux étages comme montré aux figures 8 à 10.
Le piston-déplaceur 60 se déplace dans sa chemise 61.
A la périphérie extérieure, le corps de capteur comporte des ailettes 62 d'échange séparées en deux groupes par une cloison définissant deux chambres d'échange 63, 64 chacune pour un étage.
Sur le corps de capteur sont montées des tubulures 65 d'entrée et de sortie des chacun des étages.
Les figures 13 à 13B montrent une variante avantageuse d'un échangeur de sources froides d'un moteur 14, ou d'une pompe Stirling 1, de type béta, qui permet d'échanger avec un des composants d'une machine à absoiption selon l'invention à deux étages comme montré aux figures 8 à 10.
Le piston-moteur 77 se déplace dans sa chemise 71. Le piston-déplaceur 76 est monté coulissant à l'intérieur du piston moteur 77.
Sur le corps de cet échangeur, sont montées respectivement la tubulure d'entrée 72 et de sortie 75 du fluide frigorigène d'un des étages et la tubulure d'entrée 73 et de sortie 74 du fluide frigorigène de l'autre des étages. Le moteur Stirling 14 décrit aux figures 12 à 13B permet de connecter les sources froides ou chaudes à deux étages différents en même temps, sachant que ces sources sont à mêmes températures. Seuls les débits individuels de ces sources respectivement chaude ou froide sont différents.
Ainsi, on peut utiliser un tel moteur Stirling 14 pour une connexion avec deux échangeurs 6 différents appartenant chacun à un étage de la machine à absorption.
Le système de liquéfaction qui vient d'être décrit présente un rendement énergétique excellent et peut être ainsi envisagé pour la liquéfaction de gaz issus de production de faibles volumes comme dans des installations de biogaz.
La figure 14 montre une variante avantageuse d'une machine à absorption comprenant une pompe à chaleur Stirling 17 mise en œuvre pour récupérer en tête de colonne 2.2, la chaleur cédée par le condenseur 4 et la restituer en pied 2.3 au bouilleur ou désorbeur 3 par l'intermédiaire des échangeurs 6.
D'autres améliorations et variantes peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
Ainsi, par exemple, on peut très bien combiner dans une même machine à absorption la pompe à chaleur Stirling 13 de de la figure 3 avec la pompe à chaleur Stirling 17 de la figure 14. Dans une telle machine à cycle à absorption conforme à l'invention, les chaleurs de l'absorbeur et du condenseur sont chacune récupérées par une pompe à chaleur Stirling et leur somme alimente la totalité du besoin en chaleur du désorbeur. Cela est très avantageux car le cycle à absorption peut alors fonctionner sans échange avec l'air ambiant.
Par ailleurs, si le rendement de la machine à absorption est amélioré par la pompe à chaleur Stirling qui permet de transférer la chaleur de l'absorbeur et/ou du condenseur au désorbeur, on peut tout-à-fait mettre en œuvre une machine à absorption connue comme celle montrée aux figures 1 et 2, dans un système de liquéfaction selon l'invention.
Comme source chaude, on peut envisager en lieu et place de la chaleur dégagée par un gaz comprimé chaud issu d'un compresseur, un gaz chaud issu d'un brûleur à gaz ou d'un autre moyen.
Au lieu d'agencer le ou les éjecteurs 29 immédiatement après la sortie 00 du gaz à liquéfier, on peut envisager de les placer entre le sécheur 19 et le premier condenseur 20. Dans une application où le gaz à liquéfier est un biogaz issu d'une unité de méthanisation, on peut envisager avantageusement d'agencer entre le moteur Stirling 16 et le premier condenseur 20, un échangeur récupérateur d'énergie pour échange avec les effluents de méthanisation.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de liquéfaction de gaz comprenant une machine à absorption (1, 2, 3, 4, 5) à au moins un étage, destinée à produire du froid cryogénique par mise en œuvre d'un cycle à absorption, l'étage comprenant un évaporateur (5) dont la sortie (24) est reliée d'amont en aval d'une part à au moins un échangeur (6) pour refroidir le gaz à liquéfier de sorte à abaisser sa température depuis celle ambiante jusqu'à une température donnée, et d'autre part à une pompe à chaleur à Stirling (15), destinée à mettre en œuvre un cycle de Stirling, pour compléter le refroidissement du gaz à liquéfier de sorte à amener sa température depuis celle donnée jusqu'à au moins la température de condensation du gaz.
2. Système de liquéfaction de gaz selon la revendication 1, la machine à absorption étant à étage unique comportant un absorbeur (1), un désorbeur (3), une colonne de rectification, un condenseur (4), et un évaporateur (5).
3. Système de liquéfaction de gaz selon la revendication 1, la machine à absorption étant à au moins deux étages en parallèle, chaque étage comportant un absorbeur (1), un désorbeur (3), une colonne de rectification (2), un condenseur (4), et un évaporateur (5).
4. Système de liquéfaction de gaz selon l'une des revendications 2 ou 3, la machine comportant une turbine ( 18) reliée entre chaque colonne de rectification (2) et chaque condenseur (4).
5. Système de liquéfaction de gaz selon l'une des revendications 2 ou 3, la machine comportant un moteur Stirling (14) dont la source chaude est chaque condenseur (4) et la source froide est le fluide frigorigène en sortie de chaque évaporateur (5).
6. Système de liquéfaction de gaz selon la revendication 4 ou 5, le moteur Stirling (14) ou la turbine (18) est agencé(e) pour entraîner une première pompe de circulation (12) entre chaque absorbeur (1) et désorbeur (3) et/ou une deuxième pompe de circulation (12) à la sortie de chaque condenseur (4).
7. Système de liquéfaction de gaz selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre un compresseur (0), un détendeur (30) et un moteur Stirling (16) dont la source chaude est le gaz à liquéfier, préalablement comprimé (00) dans le compresseur (0) et la source froide est un des composés du gaz liquéfié ou le fluide frigorigène (24) issu du détendeur (30).
8. Système de liquéfaction de gaz selon l'une des revendications précédentes, comportant un réservoir (25) relié en sortie de la première pompe à chaleur Stirling (15) pour stocker temporairement le composé de gaz ayant le point de condensation le plus bas.
9. Système de liquéfaction de gaz selon l'une des revendications précédentes, comportant une pluralité de condenseurs (20) en cascade entre l'entrée (00) du gaz à liquéfier dans le système et la première pompe à chaleur Stirling (15), chaque condenseur étant relié à un réservoir (25) indépendant pour stocker individuellement au moins une partie des composés du gaz à liquéfier ayant des points de condensation à des températures supérieures à celle du composé ayant le point de condensation le plus bas.
10. Machine à absorption, notamment destinée à être mise en œuvre dans un système selon l'une des revendications 1 à 9, comprenant au moins un étage, chaque étage comportant un absorbeur (1), un désorbeur (3), une colonne de rectification (2), un condenseur (4), et un évaporateur (5) et comportant en outre une pompe à chaleur Stirling (13), dite première pompe à chaleur Stirling, adaptée pour récupérer la chaleur dégagée par chaque absorbeur (1) et la transférer à chaque désorbeur (2).
11. Machine à absorption, notamment destinée à être mise en œuvre dans un système selon l'une des revendications 1 à 9, le cas échéant en combinaison avec la revendication 10, comprenant au moins un étage, chaque étage comportant un absorbeur (1), un désorbeur (3), une colonne de rectification (2), un condenseur (4), et un évaporateur (5), comportant en outre une pompe à chaleur Stirling (17), dite deuxième pompe à chaleur Stirling (17), adaptée pour récupérer la chaleur dégagée par le condenseur (4) et la transférer au désorbeur (3).
12. Machine à absoiption selon la revendication 11, la deuxième pompe à chaleur Stirling (17) étant adaptée pour récupérer la chaleur cédée en tête de la colonne de de rectification (2) au condenseur (4) pour la restituer au pied (2.3) du désorbeur (3).
13. Utilisation du système selon l'une des revendications 1 à 9, pour liquéfier un gaz simple ou composé.
14. Utilisation selon la revendication 13, pour liquéfier un bio-méthane issu d'une unité de méthanisation.
15. Utilisation selon la revendication 13 en combinaison avec le système selon la revendication 9, pour stocker temporairement et individuellement le méthane et au moins une partie de ses composés choisi parmi l'hydrogène, le dioxyde de carbone, le sulfure d'hydrogène, l'azote, l'oxygène et l'ammoniac.
16. Utilisation selon la revendication 13 à 15, dans laquelle le fluide moteur de la pompe à chaleur Stirling (15) est choisi parmi l'azote ou l'hydrogène, pour une température de de condensation du composé du gaz ayant le point de condensation le plus bas, proche et supérieure à 100K, ou est l'hélium pour une température au-dessous de 70K.
17. Utilisation selon la revendication 13 à 16, dans laquelle la machine à absorption fonctionne avec un mélange eau/ammoniac ou avec un mélange eau/bromure de lithium.
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