Comment et pourquoi le gaz est liquéfié : technologie de production et champ d'utilisation du gaz liquéfié

Les technologies liées à la production, au transport et au traitement du gaz naturel se développent à un rythme rapide.Et beaucoup de gens entendent aujourd’hui les abréviations GPL et LNG. Presque tous les deux jours, le gaz naturel est mentionné dans l’actualité dans un contexte ou un autre.

Mais voyez-vous, pour bien comprendre ce qui se passe, il est important de comprendre d'abord comment le gaz est liquéfié, pourquoi cela est fait et quels avantages cela apporte ou non. Et il y a beaucoup de nuances dans cette question.

Pour liquéfier les hydrocarbures gazeux, de grandes usines de haute technologie sont en cours de construction. Ensuite, nous examinerons attentivement pourquoi tout cela est nécessaire et comment cela se produit.

Pourquoi le gaz naturel est-il liquéfié ?

Le carburant bleu est extrait des entrailles de la terre sous la forme d'un mélange de méthane, d'éthane, de propane, de butane, d'hélium, d'azote, d'hydrogène sulfuré et d'autres gaz, ainsi que leurs divers dérivés.

Certains d'entre eux sont utilisés dans l'industrie chimique et d'autres sont brûlés dans des chaudières ou des turbines pour produire de l'énergie thermique et électrique. De plus, une partie du volume extrait est utilisée comme carburant pour moteurs à gaz.

Les calculs des travailleurs du gaz montrent que si le carburant bleu doit être livré sur une distance de 2 500 km ou plus, il est souvent plus rentable de le faire sous forme liquéfiée que par pipeline.

La principale raison de liquéfier le gaz naturel est de simplifier son transport sur de longues distances. Si le consommateur et le puits de production de gaz sont situés sur un terrain non loin l'un de l'autre, il est alors plus facile et plus rentable de poser un tuyau entre eux.Mais dans certains cas, la construction d’une autoroute s’avère trop coûteuse et problématique en raison de nuances géographiques. Ils recourent donc à diverses technologies pour produire du GNL ou du GPL sous forme liquide.

Économie et sécurité des transports

Une fois liquéfié, le gaz est pompé sous forme liquide dans des conteneurs spéciaux pour le transport par voie maritime, fluviale, routière et/ou ferroviaire. En même temps, technologiquement, la liquéfaction est un processus assez coûteux d'un point de vue énergétique.

Dans différentes usines, cela représente jusqu'à 25 % du volume initial de carburant. Autrement dit, pour générer l’énergie requise par la technologie, vous devez brûler jusqu’à 1 tonne de GNL pour trois tonnes de GNL sous forme finie. Mais le gaz naturel est désormais très demandé, tout porte ses fruits.

Sous forme liquéfiée, le méthane (propane-butane) occupe 500 à 600 fois moins de volume qu'à l'état gazeux.

Bien que le gaz naturel soit un liquide, il est ininflammable et non explosif. Ce n'est qu'après évaporation lors de la regazéification que le mélange gazeux s'avère approprié pour brûler chaudières et les cuisinières. Par conséquent, si le GNL ou le GPL sont utilisés comme carburant hydrocarbure, ils doivent alors être regazéifiés.

Utilisation dans divers domaines

Le plus souvent, les termes « gaz liquéfié » et « liquéfaction du gaz » sont mentionnés dans le contexte du transport d'hydrocarbures vecteurs énergétiques. Autrement dit, le carburant bleu est d’abord extrait, puis converti en GPL ou GNL. Le liquide obtenu est ensuite transporté puis remis à l'état gazeux pour une utilisation ou une autre.

Le GPL (gaz de pétrole liquéfié) est composé à 95 % ou plus d'un mélange propane-butane, et le GNL (gaz naturel liquéfié) est composé de 85 à 95 % de méthane.Ce sont des types de carburant similaires et en même temps radicalement différents.

Le GPL issu du propane-butane est principalement utilisé comme :

• carburant pour moteurs à gaz ;
• carburant pour pompage dans les réservoirs de gaz des systèmes de chauffage autonomes ;
• liquides pour recharger les briquets et les bouteilles de gaz d'une capacité de 200 ml à 50 l.

Le GNL est généralement produit exclusivement pour le transport longue distance. Si un conteneur capable de résister à une pression de plusieurs atmosphères est suffisant pour stocker le GPL, des réservoirs cryogéniques spéciaux sont alors nécessaires pour le méthane liquéfié.

Les équipements de stockage de GNL sont hautement technologiques et prennent beaucoup de place. Il n'est pas rentable d'utiliser ce carburant dans les voitures particulières en raison du coût élevé des bouteilles. Des camions fonctionnant au GNL sous forme de modèles expérimentaux uniques circulent déjà sur les routes, mais dans le segment des voitures particulières, il est peu probable que ce carburant « liquide » soit largement utilisé dans un avenir proche.

Le méthane liquéfié comme carburant est désormais de plus en plus utilisé en exploitation :

• locomotives diesel ferroviaires;
• navires de mer;
• transport fluvial.

En plus d’être utilisés comme vecteurs énergétiques, le GPL et le GNL sont également utilisés directement sous forme liquide dans les usines gazières et pétrochimiques. Ils sont utilisés pour fabriquer divers plastiques et autres matériaux à base d’hydrocarbures.

Technologies d'obtention de GPL et GNL

Pour convertir le méthane gazeux en liquide, il doit être refroidi à -163 °C. Et le propane-butane se liquéfie à -40 °C. En conséquence, les technologies et les coûts dans les deux cas sont très différents.

Un litre de GNL équivaut à environ 1,38 mètre cube. m de gaz naturel initial (ce chiffre dépend de la température et de la pression), diminution de volume - environ 620 fois

Les technologies suivantes de différentes entreprises sont utilisées pour liquéfier le gaz naturel :

• AP-SMR (AP-X, AP-C3MR) ;
• Cascade optimisée ;
• DMR ;
• PRICO;
• MFC ;
• GTL et coll.

Tous sont basés sur des procédés de compression et/ou d’échange thermique. L'opération de liquéfaction se déroule à l'usine en plusieurs étapes, au cours desquelles le gaz est progressivement comprimé et refroidi jusqu'à la température de transition vers la phase liquide.

Préparation du mélange gazeux

Avant de pouvoir liquéfier le gaz naturel brut, vous devez en éliminer l’eau, l’hélium, l’hydrogène, l’azote, les composés soufrés et autres impuretés. À cette fin, la technologie d'adsorption est généralement utilisée pour une purification en profondeur du mélange gazeux en le faisant passer à travers des tamis moléculaires.

Vient ensuite la deuxième étape de préparation de la matière première, au cours de laquelle les hydrocarbures lourds sont éliminés. En conséquence, seuls l'éthane et le méthane (ou le propane et le butane) avec un volume d'impuretés inférieur à 5 % restent dans le gaz, afin que cette fraction puisse commencer à être refroidie et liquéfiée.

Une préparation primaire avec élimination de tout ce qui est inutile du gaz naturel est effectuée afin de protéger les équipements de réfrigération des effets agressifs de l'eau, du dioxyde de carbone, des composés soufrés, etc.

Le fractionnement vous permet de vous débarrasser des impuretés nocives et d'isoler uniquement le gaz principal pour une liquéfaction ultérieure. À une pression de 1 atm, la température de transition à l'état liquide pour le méthane est de -163 °C, pour l'éthane de -88 °C, pour le propane de -42 °C et pour le butane de -0,5 °C.

Ce sont précisément ces différences de température qui expliquent la raison pour laquelle le gaz entrant dans l'usine est divisé en fractions et ensuite seulement liquéfié. Il n’existe pas de technologie de liquéfaction unique pour tous les types de composés d’hydrocarbures gazeux. Pour chacun d’eux, il est nécessaire de construire et d’utiliser sa propre ligne de production.

Processus de liquéfaction de base

La base de la conversion du gaz à l'état liquide est le cycle de réfrigération, au cours duquel la chaleur est transférée par l'un ou l'autre réfrigérant d'un environnement à basse température à un environnement à température plus élevée. Ce processus est en plusieurs étapes et nécessite des compresseurs puissants pour la détente/compression du liquide de refroidissement et des échangeurs de chaleur.

Les technologies de compression sont de haute technologie, énergivores et coûteuses, mais en un seul cycle, elles permettent de comprimer le gaz 5 à 12 fois à la fois.

Les éléments suivants sont utilisés comme réfrigérant à différentes étapes de liquéfaction :

• propane;
• méthane;
• éthane;
• azote;
• eau (de mer et purifiée);
• air.

Par exemple, pour le refroidissement primaire du gaz naturel à Yamal LNG de Novatek, de l’air frais de l’Arctique est utilisé, ce qui permet d’abaisser immédiatement la température de la matière première à un coût minime jusqu’à +10 °C. Et pendant les mois chauds d'été, il est prévu d'utiliser l'eau de mer de l'océan Arctique, qui, quelle que soit la période de l'année, se trouve à une profondeur constante de 3 à 4 ° C.

Dans le même temps, l'azote, obtenu directement sur place à partir de l'air, est utilisé comme réfrigérant final à Yamal. En conséquence, l’Arctique fournit tout ce qui est nécessaire à la production de GNL – du gaz naturel initial aux agents de travail utilisés dans le processus de liquéfaction.

Le propane se liquéfie de la même manière que le méthane. Seulement, il nécessite des températures de refroidissement beaucoup plus basses – moins 42 °C contre moins 163 °C. Donc liquéfaction gaz pour réservoirs de gaz Cela coûte plusieurs fois moins cher, mais le GPL propane-butane qui en résulte est lui-même moins demandé sur le marché.

Transport et stockage

La quasi-totalité du volume de GNL est transportée par de grands méthaniers d’une côte à l’autre.Le transport terrestre est limité par la nécessité de maintenir la température du « carburant bleu liquide » à des valeurs d'environ -160°C, sinon le méthane commence à se transformer en état gazeux et devient explosif.

Pour transporter le GPL, on utilise des bouteilles de 5 à 50 litres avec une pression interne allant jusqu'à 1,5 à 2 MPa et des conteneurs-citernes plus grands conçus pour 5 à 17 MPa.

La pression dans le réservoir de GNL est proche de la pression atmosphérique. Cependant, si la température du méthane liquide dépasse -160 °C, il commencera à se transformer d’un liquide en un gaz. En conséquence, la pression dans le conteneur commencera à augmenter, ce qui présente un grave danger. Les méthaniers sont donc équipés d’unités de maintien à basse température et d’une épaisse couche d’isolation thermique.

Le GPL est regazéifié en gaz directement dans le réservoir de gaz. Et la regazéification du GNL s'effectue dans des installations industrielles spéciales sans accès à l'oxygène. Selon la physique, le méthane liquide à des températures positives se transforme progressivement en gaz. Cependant, si cela se produit directement dans l’air en dehors de conditions particulières, un tel processus entraînera une explosion.

Une fois que le gaz naturel sous forme de GNL est liquéfié à l’usine, il est transporté, puis à nouveau à l’usine (regazéification uniquement), il est reconverti à l’état gazeux pour une utilisation ultérieure.

Perspectives pour l'hydrogène liquéfié

En plus de la liquéfaction directe et de l'utilisation sous cette forme, il est également possible d'obtenir un autre vecteur énergétique à partir du gaz naturel : l'hydrogène. Le méthane est CH₄, propane C₃N₈, et du butane C₄N₁₀.

La composante hydrogène est présente dans toutes ces énergies fossiles, il suffit de l’isoler.

Les principaux avantages de l'hydrogène sont le respect de l'environnement et sa présence répandue dans la nature. Cependant, le prix élevé de sa liquéfaction et les pertes dues à l'évaporation constante réduisent ces avantages à presque rien.

Pour transformer l’hydrogène gazeux en liquide, il doit être refroidi à -253 °C. A cet effet, des systèmes de refroidissement à plusieurs étages et des installations « compression/détente » sont utilisés. Actuellement, ces technologies sont trop coûteuses, mais des travaux sont en cours pour réduire leur coût.

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De plus, contrairement au GPL et au GNL, l’hydrogène liquéfié est beaucoup plus explosif. La moindre fuite de celui-ci en combinaison avec l'oxygène produit un mélange gaz-air qui s'enflamme à la moindre étincelle. Et le stockage de l'hydrogène liquide n'est possible que dans des conteneurs cryogéniques spéciaux. Le carburant hydrogène présente encore trop d’inconvénients.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Comment est produit le gaz liquéfié et pourquoi est-il liquéfié :

Tout sur les gaz liquéfiés :

Il existe plusieurs technologies pour liquéfier les gaz. Pour le méthane, ils leur appartiennent, et pour le propane-butane, ils leur appartiennent. Dans le même temps, il est moins coûteux d’obtenir du GPL et son transport/stockage est plus facile et plus sûr. La production de méthane GNL est un processus plus coûteux et plus complexe. De plus, sa regazéification nécessite des équipements spécialisés. Dans le même temps, le méthane est aujourd’hui plus demandé sur le marché et il est donc liquéfié en volumes beaucoup plus importants.

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