Mesure de l'humidité et gaz naturel liquéfié

Natural Gas Plant
Caption : Usine de gaz naturel

Protection des lignes d'approvisionnement, de la liquéfaction à la regazéification

Le gaz naturel liquéfié (GNL) est une source d'énergie mondiale de plus en plus importante.  Les analystes du marché Research and Markets prévoient que la demande annuelle augmentera de près de 9 % en TCAC jusqu'en 2026. 

Ces schémas sont repris par les dernières perspectives du marché du GNL de Shell, qui soulignent le rôle futur que le GNL est susceptible de jouer dans la décarbonisation, en agissant à la fois comme une alternative plus propre à l'électricité produite par le charbon et comme un approvisionnement d'appoint pour les sources d'énergie renouvelables.  Le rapport de Shell prévient toutefois qu'à plus long terme, il pourrait y avoir un écart important entre la demande et l'offre, qui pourrait atteindre entre 200 et 300 millions de tonnes par an (MTPA) d'ici 2040. 

À court terme, la croissance de la demande, combinée à la volatilité des marchés et des coûts, exerce une pression encore plus forte sur les réseaux de production et de distribution de gaz naturel existants, en termes de maintien de la fiabilité du système et de la qualité du gaz, tout en protégeant les marges d'exploitation. 

La liquéfaction et la regazéification du gaz naturel

Bien que des expériences de liquéfaction des gaz aient été menées depuis le XVIIIe siècle, ce n'est qu'à la fin du XIXe siècle que les scientifiques ont réussi à liquéfier le méthane, principal constituant du gaz naturel.  Il a fallu attendre les années 1940 pour que la première usine de liquéfaction commerciale soit ouverte aux États-Unis, le premier transport de GNL ayant eu lieu en 1959, lorsque le navire spécialement conçu, le Methane Pioneer, a navigué entre la Louisiane et l'île de Canvey, au Royaume-Uni. 

Aujourd'hui, la liquéfaction et la regazéification du gaz naturel sont devenues une partie intégrante et vitale de notre approvisionnement énergétique mondial, permettant à de grands volumes de gaz d'être transportés de manière sûre et rentable depuis des endroits souvent éloignés jusqu'à chaque point d'utilisation.   

Le processus commence par le passage du gaz naturel dans une série de tuyaux et de cuves parallèles - appelés "trains" - où les liquides et les impuretés les plus lourds sont éliminés.  D'autres impuretés, notamment le dioxyde de carbone et le sulfure d'hydrogène, sont ensuite éliminées à l'aide de solvants à base d'eau, tout liquide de gaz naturel (LGN) plus léger, comme le propane et le butane, étant extrait pour être utilisé séparément, soit comme sous-produit commercial, soit comme réfrigérant plus tard dans le processus de refroidissement. 

Le gaz résultant, principalement du méthane avec un petit pourcentage d'éthane, est alors prêt à être liquéfié.  Celle-ci a lieu dans des échangeurs de chaleur où il est refroidi à -162 °C et où son volume est réduit d'un facteur 600. Le liquide clair, incolore et non toxique qui en résulte est idéal pour le stockage et le transport sur de longues distances.  À l'arrivée, il est ensuite chauffé pour revenir à un état gazeux, adapté à la combustion dans les systèmes de production d'énergie. 

Traces d'humidité dans le GNL

Le processus décrit ci-dessus permet d'éliminer la majeure partie de l'eau présente dans le gaz naturel.  Il y a cependant toujours le risque que des traces d'humidité vaporisée restent dans le gaz.  Celle-ci peut se condenser et geler en cristaux de glace.  Sous pression, l'humidité peut également créer des structures en forme de treillis autour des molécules de méthane, qui se transforment ensuite en hydrates solides.  Dans chaque cas, ces contaminants peuvent provoquer des blocages dans les tuyaux ou les vannes.   

Il est également possible que l'humidité se combine avec d'autres contaminants tels que le sulfure d'hydrogène ou le dioxyde de carbone pour former des acides corrosifs, qui attaqueront les surfaces métalliques.  En outre, après la regazéification, il existe un risque que l'humidité dans un stade gazeux se condense, provoquant la corrosion des canalisations.  Enfin, bien que rare, un phénomène connu sous le nom de "transition de phase rapide" peut se produire, lorsque le GNL qui entre en contact avec l'eau se dilate rapidement et libère de manière explosive de hauts niveaux d'énergie.  

L'importance de la mesure de l'humidité à l'état de traces

La prévention de ces problèmes nécessite un contrôle strict de toutes les conditions du processus, de l'extraction du gaz naturel à son point ultime de combustion.  En particulier, le contrôle précis de l'humidité est essentiel, car même des niveaux d'humidité extrêmement faibles ou à l'état de traces causeront des problèmes.  

L'humidité est normalement éliminée du gaz naturel à l'aide de systèmes de déshydratation à tamis moléculaire, le gaz étant forcé de traverser un lit de déshydratant tel que la zéolite (un minéral aluminosilicate) maintenu dans un matériau liant, normalement de l'argile.  La zéolite a une structure ouverte en forme de cage avec de multiples canaux, ce qui en fait un matériau très efficace pour absorber les molécules d'eau. 

La plupart des systèmes utiliseront des particules de zéolithe de taille différente, qui sont disposées en couches dans plusieurs colonnes de déshydratation.  Les colonnes fonctionnent simultanément, les colonnes individuelles étant régénérées en séquence par le reflux de gaz sec à haute température à travers le matériau déshydratant.  Ce processus nécessite toutefois des niveaux d'énergie considérables et peut prendre du temps, chaque cycle de régénération nécessitant des périodes de chauffage, de refroidissement et de mise en veille avant que la colonne puisse être remise en ligne. 

La clé d'un fonctionnement efficace est la surveillance précise des niveaux d'humidité à l'état de traces du gaz lorsqu'il quitte le système de déshydratation.  Armé de données provenant, par exemple, de l'un de nos derniers analyseurs à microbalance à cristal de quartz, il devient possible de garantir la qualité du gaz, de protéger les systèmes en aval et de répondre aux spécifications commerciales et techniques requises, tout en optimisant le fonctionnement de chaque colonne de déshydratation.  

En particulier, la mesure de l'humidité permet de diminuer la fréquence des cycles de régénération, permettant à chaque colonne de rester en ligne plus longtemps sans affecter la qualité du gaz et offrant des économies d'énergie considérables.  La surveillance précise de l'humidité à l'état de traces permet également de créer des profils de performance détaillés pour chaque colonne de séchage, donnant aux opérateurs de l'usine la confiance nécessaire pour prolonger la durée de vie fonctionnelle des matériaux de dessiccation, souvent bien au-delà des dates de remplacement prévues.  Cela a un avantage direct en termes de disponibilité de l'usine et de coûts de fonctionnement. 

Systèmes de mesure de l'humidité des traces

Nos systèmes sont conçus sur mesure et comprennent des instruments d'analyse sophistiqués, basés sur la technologie QCM (Quartz Crystal Microbalance) à réponse rapide, ainsi que tous les équipements et raccords auxiliaires.  Ces systèmes sont capables de fournir une mesure en quasi temps réel de l'humidité à l'état de trace ultra-faible jusqu'à 0,01 ppmV. 

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Chez Michell Instruments, nous avons de nombreuses années d'expérience dans la conception et la fabrication de systèmes avancés de mesure en ligne de l'humidité à l'état de traces, destinés à la déshydratation par tamis moléculaire du GNL et à d'autres applications de mesure de l'humidité dans le secteur du gaz naturel. Si vous souhaitez discuter de vos besoins, veuillez contacter notre équipe aujourd'hui

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Sources :

Research and markets LNG market report

Shell LNG market outlook 2022

Science Direct




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