AMELIORATION DE LA FOURNITURE DE CO2 A HAUTE PRESSION A UN POSTE UTILISATEUR PAR L'AJOUT D'UN LIQUEFACTEUR AU POINT D'UTILISATION

Abstract

 Une installation d'alimentation d'un poste utilisateur en CO₂ liquide franc ou substantiellement franc, à haute pression, haute pression se situant préférentiellement dans la gamme allant de 50 à 60 bar , à partir d'une source de CO₂ liquide, l'installation comprenant un moyen de compression du CO₂ liquide localisé entre la source et le poste utilisateur, se caractérisant en ce que l'on dispose d'un liquéfacteur (C) du fluide circulant entre la source et le moyen de compression, liquéfacteur que l'on positionne à l'entrée du moyen de compression.

Description

[0001] La présente invention concerne le domaine des installations de fourniture de CO₂ liquide à un poste utilisateur.

[0002] On s'intéresse tout particulièrement dans le cadre de la présente invention à pouvoir fournir un liquide que l'on appelle « franc » ou sensiblement franc, notion bien connue de l'homme du métier, très recherchée par de nombreuses industries pour des raisons bien connues de meilleure « qualité cryogénique » en terme de frigories disponibles.

[0003] Un tel liquide « franc » ou sous-refroidi est liquide à pression abaissée, et à température plus basse que lorsqu'il était à pression plus élevée.

[0004] Considérons à titre illustratif l'exemple de l'usinage de pièces métalliques sous pulvérisation d'azote liquide : plus la pression de pulvérisation dans la zone d'usinage est importante, meilleurs sont les coefficients d'échange thermique. Or, quand le cryogène, par exemple l'azote liquide, est pulvérisé, il se crée du gaz - dû à sa détente- en sortie de buse de pulvérisation. La quantité de gaz généré est directement proportionnelle à la température de l'azote liquide et à sa pression en amont de la buse. On comprend donc l'intérêt de s'attacher à disposer d'un liquide sous-refroidi.

[0005] On s'attache donc dans ce qui suit à pouvoir fournir à un poste utilisateur du CO₂ liquide franc, ou substantiellement franc, en dessous du point critique mais au voisinage de ce point, typiquement autour de 50-60 bar et à température ambiante ou proche de la température ambiante. On peut appeler une telle application une application « CO₂ Haute pression ».

[0006] On sait en effet que de nombreuses applications industrielles requièrent du CO₂ dit « sous Haute Pression ». Dans celles-ci, on va retrouver notamment toutes les applications en CO₂ supercritique, c'est-à-dire au-delà du point critique du CO₂ (environ 32°C et 74 bar).

[0007] La pression à l'utilisation est très élevée afin notamment de permettre des actions de nettoyage, ou d'extraction d'arômes, ou encore de chimies complexes, en modulant les propriétés des fluides selon les conditions opératoires (donc essentiellement pression et température).

[0008] Or, le CO₂ se retrouve le plus souvent stocké dans des conditions de température plus basses que celles demandées par l'application au poste utilisateur final, à savoir généralement :

• 15-20 bar abs (et donc -30 à -20°C environ) dans un stockage refroidi. Il règne à l'intérieur du stockage un équilibre liquide-gaz de CO₂ qui est prédit par une courbe d'équilibre que l'on peut bien visualiser sur un diagramme thermodynamique de Mollier du CO₂ par exemple. Pour garder l'ensemble froid, l'emballage ou le stockage est alors isolé pour limiter les entrées de chaleur (de l'ambiance qui règne autour du stockage) entrées qui provoquent une montée en pression du stockage par évaporation.
• ou bien 45-55 bar abs (et à température ambiante) pour un stockage à température ambiante. Il règne là aussi un équilibre liquide-vapeur de CO₂ mais à une pression supérieure étant donné que le stockage ou emballage n'est pas isolé ou maintenu en froid.

[0009] Ainsi, pour aller du stockage de CO₂ liquide au point d'utilisation, on va trouver le plus souvent l'intervention des moyens suivants :

• Une première étape de montée en pression du liquide cryogénique pour atteindre une pression en dessous du point critique du CO₂ mais tout de même relativement proche de ce point (50 à 60 bar par exemple). C'est ce que nous pouvons appeler du CO₂ liquide Haute Pression.
• Puis une seconde étape pour atteindre la pression cible demandée au point d'utilisation dans le cas par exemple d'une application supercritique. On dépasse alors les conditions du point critique et on entre donc dans le domaine supercritique via cette seconde étape.

[0010] Cette pressurisation du CO₂ liquide est souvent réalisée par l'intermédiaire de pompes volumétriques dites cryogéniques. Ces pompes, qui reposent sur des pistons, n'admettent pas ou seulement très peu de gaz. On pourrait assimiler ce problème à de la cavitation pour les pompes centrifuges.

[0011] Il est donc nécessaire de les alimenter en liquide uniquement, soit ce qu'on appelle un liquide franc.

[0012] Or, il peut arriver, lors d'un arrêt de l'application finale, plus ou moins long (il peut s'agir de phénomènes transitoires), qu'une partie du liquide emprisonné dans les tuyauteries s'évapore un peu. Ceci est provoqué par les entrées de chaleur qui sont plus ou moins importantes en fonction des conditions qui règnent autour de l'installation consommatrice (entre la source de liquide et son point d'utilisation, dans les tuyauteries de raccordement des différents équipements qui permettent la mise en oeuvre).

[0013] On peut noter qu'en marche continue (donc utilisation en continu de CO₂ liquide haute pression), le liquide cryogénique prélevé dans le stockage apporte assez de froid pour compenser les entrées de chaleur et éviter l'évaporation parasite évoquée précédemment.

[0014] Mais si rien n'est mis en place pour se débarrasser du gaz résultant de l'évaporation du CO₂ liquide, ce gaz partira inévitablement vers l'application consommatrice à la reprise de la consommation et sera pompé par la pompe, générant une perturbation du fonctionnement des pompes voire un endommagement de ces pompes.

[0015] On pourrait contre-argumenter que l'évaporation d'une partie du liquide va augmenter la pression ce qui aurait tendance à favoriser la liquéfaction de la phase gazeuse (effet contraire du précédent donc). Néanmoins, si l'évaporation est significative et qu'il n'y a pas de moyen de l'évacuer (point ci-après), le gaz sera évacué à la prochaine utilisation et viendra perturber l'utilisateur.

[0016] Par exemple, on peut utiliser un artifice qui permet de gérer cette quantité de gaz indésirable en le laissant retourner en amont, c'est-à-dire dans le stockage ou l'emballage mais ils ne sont pas utilisables dans de nombreux cas : pas de retour dans les sources pour éviter les pollutions (utilisation de clapets anti-retour par exemple).

[0017] Et donc en résumé, dans la mesure où une entrée de chaleur dans l'installation, en particulier dans la tuyauterie qui n'est pas calorifugée en général (ce qui a de toute façon un effet de retardement du phénomène), est inévitable en cas d'arrêt, on ne peut pas éviter ou empêcher l'évaporation d'un peu de liquide cryogénique.

[0018] C'est la raison pour laquelle il est toujours installé une soupape de détente et mise à l'atmosphère sur une canalisation dont une partie peut emprisonner du liquide cryogénique toujours prompt à s'évaporer. Ceci est immédiat car le liquide est toujours à l'équilibre avec sa phase gazeuse dans les conditions de stockage, sauf à installer un sous-refroidisseur du liquide en sortie de la source de CO₂ liquide (on refroidit donc plus que l'équilibre qui règne dans la source de façon à éviter l'évaporation lors des entrées de chaleur).

[0019] Autrement dit, il faut peu de chaleur pour évaporer un peu de liquide à l'équilibre et donc peu de frigories ou froid pour le ré liquéfier.

[0020] On peut noter aussi, toujours d'après le diagramme thermodynamique de Mollier du CO₂, que ce phénomène est d'autant plus marqué qu'on se rapproche du point critique. C'est le cas pour une application de CO₂ à haute pression puisque l'on est typiquement entre 50 et 60 bar, ce qui permet ensuite à l'utilisateur final d'atteindre les conditions d'utilisation, notamment au-delà du point critique du CO₂, en une seule étape de compression.

[0021] En effet, une même quantité de chaleur produit plus de gaz au fur et à mesure que la pression du liquide à l'équilibre augmentera (règle des « bras de leviers », simple expression d'un bilan massique, pour calculer la quantité relative de gaz et de liquide lors d'une chauffe ou d'un refroidissement dans la phase gaz-liquide.

[0022] Pour limiter ou empêcher cette vaporisation parasite, on pourrait envisager :

• De sous refroidir, par exemple par passage sur un échangeur, le liquide sortant à l'équilibre du stockage: mais ceci représente un coût certain (opératoire et investissement), et un caractère superflu en marche continue (qui représente la majeure partie des utilisations du CO₂ liquide en général) et malgré tout une évaporation à terme si la chauffe se prolonge dans le temps.
• Ou d'évacuer le gaz par une soupape, ou un séparateur diphasique, à positionner entre l'endroit où on produit le gaz et le poste utilisateur final. Ici encore ceci a un coût certain et la mise à l'atmosphère du CO₂ va produire une grande quantité de froid et de neige. En effet, en dessous de 5,3 bar, le liquide relâché, en même temps que le gaz, va générer un mélange tri phasique (gaz, liquide et solide (neige dite « sèche »)) qu'il est difficile de maitriser. On peut même assister à un bouchage de l'évacuation en cas d'accumulation de neige et de givrage avec l'humidité ambiante du point de rejet. On peut aussi noter que l'évacuation d'une partie du fluide (donc mélange gaz-liquide) perturbera immanquablement le flux principal de liquide (on a une arrivée par la canalisation et deux sorties). On pourrait en résumer positionner par exemple un pot dégazeur après toutes les entrées de chaleur, donc au plus proche du point d'utilisation.

[0023] Un des objectifs de la présente invention est alors de proposer une solution technique aux problématiques développées ci-dessus, se démarquant et améliorant les solutions proposées jusqu'ici dans la littérature.

[0024] Comme on le verra plus en détails dans ce qui suit, on propose selon la présente invention de mettre en oeuvre un liquéfacteur, au plus près du point d'utilisation.

[0025] A titre illustratif pour mieux comprendre la présente invention, considérons le cas d'un poste utilisateur alimenté à partir d'une bouteille de CO₂ liquide avec tube plongeur, on sait qu'alors entre la bouteille et son compresseur, la tuyauterie peut être soumise à des entrées de chaleur entrainant une évaporation du CO₂ liquide. Le gaz ne peut pas être évacué et retourné dans la bouteille car la ligne est munie d'un clapet anti-retour. Aussi, si c'est un mélange gaz liquide qui arrive dans le compresseur (à piston le plus souvent), il va dysfonctionner et risque même de casser (le compresseur n'admet que du liquide franc).

[0026] On propose donc selon un des modes de mise en oeuvre de l'invention l'ajout d'un liquéfacteur à l'entrée même du compresseur de façon à limiter au maximum la longueur de raccordement entre le liquéfacteur et le compresseur, et ainsi limiter au maximum la reformation de gaz entre le liquéfacteur et le compresseur.

[0027] Ainsi :

• Quoi qu'il se produise en amont (donc du stockage du CO₂ liquide jusqu'au point d'obtention du point CO₂ Haute Pression, à savoir typiquement de 50 à 60 bar de CO₂ liquide), le gaz généré au sein du liquide sera liquéfié avant d'être utilisé. On évite ainsi de laisser progresser le gaz formé vers l'aval de l'installation, i.e. vers le poste d'utilisation du CO₂ Haute Pression.
• Le besoin de frigories à apporter pour liquéfier le gaz formé est très mesuré, très raisonnable. Autrement dit, étant assez proche du point critique l'effort est limité. En conséquence, une installation simple, peu onéreuse et peu consommatrice d'électricité, permet d'assurer cette liquéfaction. On peut rester dans la plupart des cas sur une température finale de 5 à 15°C, largement suffisante.

[0028] Selon un des modes de mise en oeuvre de l'invention, on dispose d'une installation de mise en oeuvre comportant les éléments suivants :

• Un groupe froid permettant d'assurer la production d'une eau froide, à une température avantageusement dans l'intervalle allant de 5°C à 15°C, via un serpentin.
• Une cuve contenant de l'eau et deux serpentins :

  ∘ Un premier où circule le liquide frigorigène en provenance du groupe froid, permettant de refroidir l'eau dans laquelle est immergé ce serpentin, eau qui servira d'intermédiaire, de media, pour conduire les frigories vers le fluide CO₂ à refroidir (échange thermique indirect).

  ∘ Un second permettant le passage du fluide CO₂ Haute Pression, mélange diphasique gaz-liquide, le gaz ayant été généré suite à une entrée de chaleur. Au fur et à mesure de la progression le long du serpentin, les frigories, transférées par l'eau froide environnante, seront transférées au mélange gaz-liquide et permettront la liquéfaction du gaz.

  ∘ La conception et le choix des conditions opératoires permettra le bon transfert des frigories générées par le groupe frigorifique (efficacité de transfert), la liquéfaction du gaz, voir même le sous-refroidissement du liquide CO₂ Haute Pression. Ceci va aussi permettre d'améliorer la compression de ce liquide (ou plus exactement sa montée en pression).

[0029] On peut imaginer d'autres moyens pour réaliser ce liquéfacteur, pourvu que l'on assure un transfert suffisant de frigories depuis une source de froid (de l'eau glycolée d'un réseau pourrait remplacer un groupe frigorifique) vers le fluide dit « chaud » (à savoir le CO₂ Haute Pression qui est un mélange diphasique gaz-liquide).

[0030] Ainsi si le site utilisateur dispose déjà d'eau froide, par exemple au travers d'un réseau d'eau glacée par exemple), on peut remplacer le liquéfacteur à petite cuve évoqué plus haut par un simple échangeur. Le fluide froid sera l'eau glacée du réseau et le fluide chaud (source de chaleur) sera le CO₂ à refroidir/liquéfier.

[0031] Illustrons dans ce qui suit un exemple d'application et de calcul de mise en oeuvre de l'invention.

[0032] Prenons l'exemple d'un débit de CO₂ Haute Pression requis de D=60 kg/h. On doit donc délivrer entre 55 et 60 bar.

[0033] Considérons le cas où le CO₂ est à une température de 15 à20°C, ce qui correspond à un point sur l'équilibre gaz-liquide (ou liquide-vapeur) du CO₂ (diagramme de Mollier).

[0034] On retient une capacité thermique ou chaleur massique du CO₂ dans ces conditions à 5 J/kg/K .

[0035] Ainsi, la chaleur totale à échanger pour passer de 20 à 12°C est /

[0036] On cherche à sous-refroidir ce flux à 12°C grâce à un serpentin qui est plongé dans de l'eau froide maintenue à 10°C.

[0037] Ainsi, ce serpentin est bien un échangeur de chaleur où :

• Le liquide froid : l'eau du bain thermostaté (donc maintenu) à 10°C.
• Le liquide « chaud » : le CO₂ diphasique liquide-gaz entrant à environ 20°C et sortant à environ 12°C.

[0038] On considère un modèle d'échange à contre-courant et alors la différence de température dite logarithmique ΔT=4,97°C qui correspond à l'écart entre les températures entres les deux fluides qui échangent aux deux extrémités du serpentin. On a bien pris soin d'avoir une température de sortie du flux de CO₂ légèrement supérieure à celle du fluide froid (12 > 10°C). Ceci évite le « pincement » de l'échange thermique, donc l'arrêt du transfert dans ce modèle à contre-courant retenu.

[0039] On peut alors en déduire un coefficient global de transfert thermique U~4843 W/m²/K en appliquant la formule de Mc Adams. Cette formule connue est applicable dans le cas d'un tube, dans lequel la turbulence est assurée avec une température de paroi en extérieur (ici fluide froid) constante.

[0040] Si l'on retient un diamètre de canalisation de 4 mm de diamètre interne (de façon à assurer la turbulence et donc le bon transfert thermique), on peut en déduire une longueur minimale nécessaire qui sera Lmin=2,2 m. On applique alors la formule générale classique des échanges thermiques sur le serpentin avec :

avec A qui est la surface totale d'échange du tube, à savoir la surface totale moyenne (entre diamètre externe et interne) du tube dont la longueur est L.

[0041] On met en oeuvre pour cette application qui consiste à maintenir au maximum à 12°C un flux de CO₂ Haute Pression à 55-60 bar et qui arriverait à 20°C avec du gaz résultant des entrées de chaleur de l'installation :

• Une cuve de 20 litres qui contient un groupe froid et un serpentin en cuivre pour maintenir l'eau du bain à une température cible entre 5 et 15°C.
• Un serpentin en inox de diamètre interne de 4 mm environ, avec une longueur de 10 m sachant que le minimum requis pour un bon transfert a été calculé à 2,2 m.

[0042] On peut remarquer que :

1. Une température de bain de 5°C permettrait de réduire encore la longueur minimale d'échange à 1,5 m environ. On a donc une bonne souplesse d'utilisation du liquéfacteur ainsi dimensionné pour assurer une liquéfaction du gaz qui aurait pu se former dans l'amont de l'utilisation.

2. L'équipement peut être facilement adapté à d'autres conditions de débit, de température cible au point d'utilisation.

[0043] La Figure 1 annexée fournit une représentation schématique partielle d'une installation convenant pour la mise en oeuvre de la présente invention, où l'on reconnait les éléments suivants d'installation :

i) C : une cuve « tampon » contenant un liquide L (eau, ou eau glycolée par exemple)

La cuve est munie de deux serpentins qui vont permettre les transferts thermiques :

• Entre le CO₂ et le liquide média ;
• Entre le fluide frigorigène (provenant du groupe froid GF) et le liquide média.

(La référence S fournit un exemple de serpentins pouvant être mis en oeuvre dans la cuve C)

j) GF : un groupe froid

k) FG-E : du CO₂ à refroidir, à liquéfier (donc chaud), circulant de la source de CO₂ vers la cuve C.

Il s'agit de CO₂ Haute Pression, se situant en général à 50-60 bar et à température ambiante.

C'est donc du CO₂ liquide comportant une faible portion de gaz parasite dû aux entrées de chaleur s'étant produites en amont.

l) FG-S :
On a ici du CO₂ refroidit, circulant de la cuve C vers le poste utilisateur, un liquide franc (le gaz parasite a été liquéfié).

m) FF-F :
Le fluide frigorigène, froid, circulant du groupe froid vers la cuve.

n) FF-C :
Le fluide frigorigène réchauffé, circulant de la cuve vers le groupe froid.

[0044] L'invention concerne alors une installation d'alimentation d'un poste utilisateur en CO₂ liquide franc ou substantiellement franc, à haute pression, haute pression se situant préférentiellement dans la gamme allant de 50 à 60 bar , à partir d'une source de CO₂ liquide, l'installation comprenant un moyen de compression du CO₂ liquide localisé entre la source et le poste utilisateur, se caractérisant en ce que l'on dispose d'un liquéfacteur du fluide circulant entre la source et le moyen de compression, liquéfacteur que l'on positionne à l'entrée du moyen de compression.

Revendications

1. Installation d'alimentation d'un poste utilisateur en CO₂ liquide franc ou substantiellement franc, à haute pression, haute pression se situant préférentiellement dans la gamme allant de 50 à 60 bar, à partir d'une source de CO₂ liquide, l'installation comprenant un moyen de compression du CO₂ liquide localisé entre la source et le poste utilisateur, se caractérisant en ce que l'on dispose d'un liquéfacteur du fluide (C) circulant entre la source et le moyen de compression, liquéfacteur que l'on positionne à l'entrée du moyen de compression.

2. Installation selon la revendication 1, se caractérisant en ce que le liquéfacteur met en oeuvre un échange thermique entre un fluide froid (FF-F) et le CO₂ haute pression diphasique gaz-liquide considéré comme un fluide « chaud » (FG-E), le fluide froid étant par exemple constitué par :

- une eau glycolée, ou

- une eau froide en provenant d'un réseau d'eau glacée présent sur le site abritant ledit poste utilisateur.

3. Installation selon la revendication 1, se caractérisant en ce que le liquéfacteur est réalisé par la mise en oeuvre des moyens suivants :

• un groupe froid (GF) permettant d'assurer la production d'une eau froide, à une température avantageusement située dans l'intervalle allant de 5°C à 15°C, via un serpentin ;

• une cuve (C) contenant de l'eau ou un autre media, et deux serpentins (S) :

∘ Un premier serpentin où circule un liquide frigorigène (FF-F) en provenance du groupe froid, permettant de refroidir l'eau ou le media dans laquelle est immergé ce serpentin, eau apte ainsi à servir d'intermédiaire pour conduire des frigories vers le fluide CO₂ (FG-E) à refroidir ou liquéfier, en provenance de ladite source de CO₂ ;

∘ Un second serpentin (S) apte à accueillir une circulation du fluide CO₂ (FG-E) haute pression diphasique gaz-liquide, des frigories transférées par l'eau froide ou le média froid environnant(e) étant transférées au fluide CO₂ circulant dans ce second serpentin et permettant de refroidir ce fluide et de liquéfier la proportion de phase gazeuse qui le compose, avant de diriger ce fluide ainsi refroidi (FG-S) vers ledit poste utilisateur.

Dessins