Brevet FR2785034A1 — publié le 20000428

PROCÉDÉ POUR ÉLIMINER L'ÉVAPORATION D'UN GAZ LIQUÉFIÉ STOCKÉ DANS UNE CUVE ÉTANCHE ET ISOTHERME, ET DISPOSITIF POUR SA MISE EN OEUVRE La présente invention concerne un procédé pour éliminer l'évaporation d'un gaz liquéfié, notamment du méthane liquide, stocké dans une cuve étanche et thermiquement isolante, intégrée ou non dans une structure porteuse de navire, notamment d'un navire méthanier, et le dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Le méthane liquide est généralement stocké sous forme liquide à une pression voisine de la pression atmosphérique et à une température d'environ -163 C. Afin de limiter l'évaporation du méthane liquide, au cours du transport, on a déjà proposé d'améliorer l'isolation thermique de la cuve par divers procédés qui sont décrits dans les demandes de brevet français n 2535 831, 2 586 082, 2 629 897, 2 683 786 qui appartiennent toutes à la société déposante. Les améliorations sur l'isolation thermique de la cuve ont permis d'abaisser le taux d'évaporation nominale par jour de stockage, de 0,30 % à environ 0,15 % en poids, mais il est difficile d'aller au-delà. Sur un navire méthanier, chaque cuve est généralement reliée à un mât sur le pont principal du navire, pour permettre l'échappement du gaz évaporé, qui autrement engendrerait une surpression inadmissible dans la cuve. Pour éviter d'évacuer dans l'atmosphère le gaz évaporé, qui est une émission polluante d'autant plus inacceptable que le navire se trouve au voisinage d'un port, et pour éviter de perdre ainsi une partie de la cargaison, il est connu d'utiliser l'évaporation du gaz pour la propulsion du navire. A cet effet, le compartiment machine du navire est généralement équipé d'une turbine à vapeur qui est adaptée pour brûler à la fois le gaz d'évaporation et du gazole ou du fuel. Toutefois, les turbines à vapeur ont un faible rendement et la bi- fonctionnalité de la turbine nécessite d'augmenter la longueur du compartiment machine, ce qui se traduit par un allongement du navire ou une réduction de la taille des cuves de stockage. En outre, avec un taux d'évaporation de l'ordre de 0,15 %, le gaz d'évaporation ne fournit que 40 à 80 % des besoins énergétiques de la turbine à vapeur qui doit donc continuellement fonctionner en brûlant également du gazole ou du fuel. Pour éviter l'inconvénient lié à la combustion des gaz d'évaporation et pour éviter de consommer une partie de la cargaison, avant son déchargement, on a également proposé d'embarquer sur le pont du navire une usine de reliquéfaction pour reliquéfier les gaz d'évaporation et les renvoyer à la cuve. Toutefois, cette solution est très lourde à mettre en oeuvre, car l'investissement de départ pour une usine de reliquéfaction est très élevé et les besoins énergétiques d'une usine de reliquéfaction sont également très importants. En outre, comme une cargaison de méthane n'est généralement pas pure, il est nécessaire de prévoir une liquéfaction séparée des différents composants de la cargaison, ce qui nécessite l'utilisation de colonnes de séparation, ce qui est délicat à gérer sur un navire qui est soumis à la houle. L'invention a pour but d'éliminer les inconvénients précités et de proposer un procédé pour éliminer l'évaporation d'un gaz liquéfié stocké dans une cuve étanche et thermiquement isolante intégrée ou non dans une structure porteuse de navire, qui soit simple et économique dans sa mise en oeuvre et dans son fonctionnement. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour éliminer l'évaporation d'un gaz liquéfié stocké dans une cuve étanche et thermiquement isolante intégrée dans une structure porteuse de navire ou située dans un ensemble de réservoirs de stockage à terre ou flottant, caractérisé par le fait qu'il consiste à faire circuler un fluide réfrigérant dans la masse de gaz liquéfié, pour réfrigérer ladite masse à une température légèrement inférieure à sa température de consigne de stockage, de façon à compenser 1 'échauffement de ladite masse résultant des fuites thermiques au cours de son transport ou de son stockage. Ainsi, l'évaporation du gaz liquéfié est supprimée, ou tout au moins limitée. En effet, si le gaz liquéfié commence à s'évaporer dans le volume gazeux qui surnage la masse liquéfiée dans la cuve, la mise en circulation du fluide réfrigérant provoquera une reliquéfaction automatique du gaz d'évaporation, par transfert thermique à l'interface entre le gaz liquéfié et le gaz d'évaporation. L'invention vise également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité, caractérisé par le fait qu'il comporte, pour chaque cuve, un échangeur de chaleur qui plonge dans la masse de gaz liquéfié à réfrigérer, un compresseur pour comprimer le fluide réfrigérant à la sortie de l'échangeur, et une unité frigorifique pour réfrigérer à sa température de réfrigération le fluide réfrigérant comprimé, avant son entrée dans l'échangeur de chaleur. Avantageusement, le dispositif comporte une unité de circulation d'eau de mer pour refroidir le fluide réfrigérant comprimé avant son entrée dans l'unité frigorifique. Cette unité de circulation d'eau de mer peut être reliée à un collecteur de ballast d'un navire. Dans une forme de réalisation particulière, le fluide réfrigérant est en phase liquide, de préférence de l'azote liquide, à son entrée dans l'échangeur de chaleur, et se vaporise lors de sa circulation dans la masse de gaz liquéfié, l'unité frigorifique étant adaptée pour reliquéfier le fluide réfrigérant à chaque cycle. Cette variante est particulièrement efficace, car on utilise la chaleur latente du liquide réfrigérant pour réfrigérer la cargaison. Bien entendu, le fluide réfrigérant pourrait être en phase gazeuse, et dans ce cas le gaz réfrigérant subit une détente lors de son échauffement dans l'échangeur de chaleur, par exemple suivant le cycle connu de Joule-Thomson. Selon une autre caractéristique, l'unité frigorifique est adaptée pour porter le fluide réfrigérant à une température de réfrigération qui est inférieure d'environ 30 C à la température de consigne de la masse de gaz liquéfié, avant son entrée dans l'échangeur de chaleur. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, chaque cuve est équipée d'un manomètre pour contrôler les variations de pression dans le volume gazeux qui surnage la masse de gaz liquéfié dans la cuve. Dans ce cas, le manomètre peut commander la mise en route de la circulation du fluide réfrigérant, dès que la pression détectée par le manomètre est supérieure à une première valeur de seuil de pression prédéterminée, par exemple 5 mmbar au-delà de la pression de consigne de stockage, qui est généralement de l'ordre de 1 060 mmbar, et son arrêt dès que la pression détectée est inférieure à une deuxième valeur de seuil de pression déterminée, par exemple 5 mmbar en-deçà de ladite pression de consigne. Avantageusement, l'échangeur de chaleur est supporté à l'intérieur de la cuve par une tour de chargement/déchargement du gaz liquéfié, qui est prévue sur l'une des parois transversales verticales de la cuve. L'échangeur de chaleur peut comporter un ou plusieurs tubes en épingle dont les extrémités traversent le toit de la cuve. Dans ce cas, chaque tube ou groupe de tubes en épingle peut être latéralement entouré par un tuyau creux formant un puits de convection, ouvert à ses deux extrémités verticales, pour engendrer un mouvement de convection dans la masse de gaz liquéfié à travers chaque puits. Avantageusement, le compresseur et l'unité frigorifique sont installés sur le pont du navire, au droit de la tour de chargement/ déchargement de chaque cuve. Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire maintenant, à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, un mode de réalisation représenté sur les dessins annexés. Sur ce dessin: - la figure 1 est une vue schématique en élévation longitudinale et partiellement en coupe d'un navire méthanier de structure classique, et - la figure 2 est une vue partielle, agrandie et partiellement en coupe d'une cuve du navire de la figure 1, suivant une forme de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté un navire méthanier N de structure classique, qui comporte quatre cuves 1 pour le stockage de la cargaison, chaque cuve étant associée à un mât 2 qui est prévu sur le pont principal 3 du navire, pour l'échappement du gaz, lors d'une surpression dans la cuve. A l'arrière du navire N, est prévu un compartiment machine 14 qui comporte classiquement une turbine à vapeur qui fonctionne par combustion de gazole, et/ou de gaz d'évaporation provenant des cuves. Les cuves 1 sont séparées les unes des autres par des doubles cloisons transversales 4, connues sous le terme de "cofferdam". Le fond de chaque cuve est formé par le flan interne 5 de la double coque du navire, l'espace intercalaire entre le flan interne 5 et le flan externe 6 de la double coque servant de ballast. De manière connue en soi, chaque cuve 1 contient une tour de chargement/ déchargement 7 pour charger la cargaison dans la cuve, avant son transport, et pour décharger la cargaison, après son transport. Comme mieux visible sur la figure 2, la tour 7 s'étend sur toute la hauteur de la cuve 1, au voisinage d'une cloison transversale du cofferdam 4 et comporte à sa partie inférieure une pompe 8 pour le déchargement de la cargaison. De manière connue en soi, la tour 7 comporte une ligne de chargement de la cargaison et une ligne de déchargement de la cargaison, la tour pouvant être du type tripode, c'est-à-dire à trois mâts verticaux qui supportent l'ensemble des lignes de chargement et de déchargement de la cargaison. De manière connue en soi, chaque cuve 1 comporte une barrière d'isolation thermique secondaire 10 fixée sur la structure porteuse du navire, notamment le flan interne 5 de la double coque et les cloisons transversales 4, et deux barrières d'étanchéité secondaire 11il et primaire 12 accrochées à ladite barrière d'isolation secondaire 10. Entre les barrières d'étanchéité secondaire 11 et primaire 12 est généralement montée une barrière d'isolation thermique primaire 13 ou bien un bouclier de protection mécanique résistant au choc, comme décrit dans la demande de brevet français n 98/08196 du 10 Juillet 1998 appartenant à la société déposante. On a indiqué sur la figure 2 la ligne de séparation S entre la masse de gaz liquéfié L et le volume de la cargaison en phase gazeuse G, à l'intérieur de la cuve 1. On a représenté sur la figure 2, par un bloc global 20, une unité frigorifique associée à un compresseur, par exemple pour la circulation d'azote liquide. L'unité frigorifique peut être adaptée pour reliquéfier l'azote liquide en sortie de la cuve. Le bloc 20 est monté sur le pont principal 3 du navire. Une ligne d'amenée 21 et une ligne de sortie 22 sont reliées au bloc 20, pour une circulation d'eau de mer, provenant par exemple d'un collecteur de ballasts du navire. Au moins un tube en épingle 23 est relié à son entrée 23a et à sa sortie 23b au bloc 20. Le tube en épingle 23 constitue un échangeur de chaleur qui s'étend verticalement dans la cuve 1, sensiblement à mi-hauteur à distance de son fond. Bien que cela ne soit pas représenté, chaque tube en épingle 23 est avantageusement supporté par un mât de la tour 7 précitée. A cet effet, chaque tube en épingle 23 s'étend au voisinage de la tour 7. Autour de chaque tube en épingle 23 est prévu un tuyau creux 24 formant un puits de convection à l'intérieur de la cuve 1. Ce tuyau 24 est débouchant à ses deux extrémités verticales, de manière à engendrer un mouvement de convection de la cargaison stockée dans la cuve 1. On va maintenant décrire le fonctionnement d'un exemple de réalisation de l'invention. l0 Le méthane en phase liquide L et le faible volume en phase gazeuse G est stocké dans la cuve 1 à une température d'environ -163 C. L'unité frigorifique 20 fait circuler dans le tube en épingle 23 de l'azote liquide à environ -196 C, ce qui a pour effet de réfrigérer le méthane liquide L autour dudit tube 23. Etant donné que le méthane liquide ainsi réfrigéré devient plus dense, il subit un mouvement descendant dans la cuve 1, et le méthane liquide non encore réfrigéré subit inversement un mouvement ascendant. Ce mouvement de convection du méthane liquide L est canalisé par le puits de convection 24, afin de créer ce mouvement de convection dans toute la cuve 1. A titre d'exemple, le diamètre du tuyau creux 24 est d'environ 1 mètre. Bien entendu, l'échangeur de chaleur pourrait comporter plusieurs tubes en épingle 23, ou des tubes à plusieurs coudes, ainsi que plusieurs tuyaux de convection 24. Le tuyau creux 24 a, à son extrémité supérieure, une forme sensiblement en entonnoir 24a évasée vers l'extérieur, pour favoriser ce mouvement de convection. Au cours de sa circulation dans le tube en épingle 23, l'azote liquide subit une évaporation, ce qui permet de refroidir plus efficacement le méthane liquide L en bénéficiant de la chaleur latente de l'azote. Ceci étant, on pourrait également utiliser de l'azote en phase gazeuse, l'azote gazeux subissant une détente au cours de sa circulation dans l'échangeur de chaleur. A sa sortie 23b du tube en épingle 23, l'azote est à une température d'environ -163 C. L'azote passe alors dans le compresseur 20, par exemple un compresseur à trois étages, ce qui porte l'azote à une température par exemple d'environ +130 C. L'azote ainsi comprimé est refroidi dans un premier temps par les lignes de circulation d'eau de mer 21, 22, pour porter l'azote à une température maximale d'environ 30 C, c'est-à-dire à la température de l'eau de mer. Enfin, l'azote comprimé ainsi refroidi subit une reliquéfaction dans l'unité frigorifique, pour le porter à la température de-196 C. Etant donné que l'unité frigorifique et le compresseur 20 sont situés à la verticale de la tour 7, il est possible d'utiliser la puissance disponible pour la pompe de déchargement 8 car cette dernière ne fonctionne pas lors du transport, mais uniquement lors du io déchargement. Le bloc 20 est avantageusement associé à un manomètre 25 situé dans le volume gazeux G de la cuve 1, pour détecter les variations de pression dans ce volume gazeux. A titre d'exemple, pour une pression de consigne de stockage d'environ 1 060 mmbar dans le volume gazeux G, le manomètre 25 est apte à détecter une variation de mmbar au-delà et en- deçà de cette pression de consigne afin de respectivement déclencher la mise en route de l'unité frigorifique et du compresseur ou d'arrêter leur fonctionnement. Etant donné que la cargaison dans chaque cuve présente une forte inertie thermique, l'unité frigorifique et le compresseur 20 fonctionnement généralement pendant plusieurs heures, avant de pouvoir engendrer un léger refroidissement de la cargaison stockée, et de reliquéfier le méthane évaporé à l'interface S avec le gaz liquéfié L. De la même manière, l'unité frigorifique et le compresseur 20 restent arrêtés pendant plusieurs heures, avant que l'évaporation du gaz liquéfié puisse à nouveau se produire. D'une manière pratique, comme les pertes thermiques consécutives au rayonnement sur le pont se produisent essentiellement le jour, il est possible de faire fonctionner automatiquement le compresseur et l'unité frigorifique 20 le jour et de les arrêter la nuit. Grâce à l'invention, il est possible de supprimer la turbine à vapeur pour la propulsion du navire et d'utiliser un moteur diesel fonctionnant au gazole, qui présente un meilleur rendement et un encombrement moindre, ce qui permet de réduire la taille du compartiment machine. La taille du compartiment machine peut être réduite d'environ 10 %, ce qui se traduit par plusieurs mètres de moins en longueur. Or chaque mètre gagné sur le compartiment machine permet d'augmenter le volume des cuves, ce qui est très important, compte-tenu de la taille des cuves. Un autre avantage de l'invention consiste à supprimer toutes les lignes de circulation du gaz d'évaporation vers le compartiment machine ou vers une éventuelle usine de reliquéfaction. Enfin, lorsque le fluide réfrigérant est de l'azote, on dispose au droit de chaque cuve d'une réserve d'azote qui peut être déchargée dans les ballasts, pour limiter la teneur en oxygène o10 comburant, afin d'éviter un incendie à la suite d'un choc sur les ballasts, par exemple lors d'un abordage par un autre navire. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour éliminer l'évaporation d'un gaz liquéfié stocké dans une cuve (1) étanche et thermiquement isolante intégrée dans une structure porteuse de navire (N) ou située dans un ensemble de réservoirs de stockage à terre ou flottant, caractérisé par le fait qu'il consiste à faire circuler un fluide réfrigérant dans la masse de gaz liquéfié (L), pour réfrigérer ladite masse (L) à une température légèrement inférieure à sa température de consigne de stockage, de façon à compenser l'échauffement de ladite masse résultant des fuites io thermiques au cours de son transport ou de son stockage. 2 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte, pour chaque cuve (1), un échangeur de chaleur (23) qui plonge dans la masse de gaz liquéfié (L) à réfrigérer, un compresseur (20) pour comprimer le fluide réfrigérant à la sortie de l'échangeur, et une unité frigorifique (20) pour réfrigérer à sa température de réfrigération le fluide réfrigérant comprimé, avant son entrée dans l'échangeur de chaleur. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte une unité de circulation (21, 22) d'eau de mer pour refroidir le fluide réfrigérant comprimé avant son entrée dans l'unité frigorifique (20). 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'unité de circulation d'eau de mer (21, 22) est reliée à un collecteur de ballast d'un navire. 5 - Dispositif selon l'une des revendication 2 à 4, caractérisé par le fait que le fluide réfrigérant est en phase liquide, de préférence de l'azote liquide, à son entrée dans l'échangeur de chaleur (23), et se vaporise lors de sa circulation dans la masse de gaz liquéfié (L), l'unité frigorifique (20) étant adaptée pour reliquéfier le fluide réfrigérant à chaque cycle. 6-Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que l'unité frigorifique (20) est adaptée pour porter le fluide réfrigérant à une température de réfrigération qui est inférieure d'environ 30 C à la température de consigne de la masse de gaz liquéfié (L), avant son entrée dans l'échangeur de chaleur (23). O10 7 -Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé par le fait que chaque cuve (1) est équipée d'un manomètre (25) pour contrôler les variations de pression dans le volume gazeux qui surnage la masse de gaz liquéfié dans la cuve. 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le manomètre (25) commande la mise en route de la circulation du fluide réfrigérant, dès que la pression détectée par le manomètre est supérieure à une première valeur de seuil de pression prédéterminée, par exemple 5 mmbar au-delà de la pression de consigne de stockage, 1o qui est généralement de l'ordre de 1 060 mmbar, et son arrêt dès que la pression détectée est inférieure à une deuxième valeur de seuil de pression déterminée, par exemple 5 mmbar en-deçà de ladite pression de consigne. 9-Dispositif selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé par le fait que l'échangeur de chaleur (23) est supporté à l'intérieur de la cuve (1) par une tour (7) de chargement/déchargement du gaz liquéfié, qui est prévue sur l'une des parois transversales verticales (4) de la cuve. - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que l'échangeur de chaleur comporte un ou plusieurs tubes en épingle (23) dont les extrémités traversent le toit de la cuve (1). 11 - Dispositif selon la revendication 10, caractérisé par le fait que chaque tube ou groupe de tubes en épingle (23) est latéralement entouré par un tuyau creux (24) formant un puits de convection, ouvert à ses deux extrémités verticales, pour engendrer un mouvement de convection dans la masse de gaz liquéfié (L) à travers chaque puits. 12 - Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé par le fait que le compresseur et l'unité frigorifique (20) sont installés sur le pont (3) du navire, au droit de la tour (7) de chargement/déchargement de chaque cuve (1).