Brevet FR2825136A1 — publié le 20021129

Cette invention concerne les procédés et les installations de fourniture de secours d'un gaz sous pression par vaporisation de liquides cryogéniques, en particulier ceux utilisés pour fournir les clients en produits gazeux (azote, oxygène, argon) lorsque les installations industrielles (tels que les appareils de séparation d'air) ne peuvent assurer que partiellement, ou pas du tout, la fourniture du produit (par exemple dans le cas de déclenchement, de réduction de charge pour contrainte de tarif électrique...). L'invention s'applique également aux stockages d'autres liquides cryogéniques tels que l'hydrogène, l'hélium, le monoxyde de carbone. Un appareil de vaporisation de secours est illustré dans EP-A-0452177 où de l'azote liquide provenant d'un stockage est vaporisé dans un échangeur par échange de chaleur avec de l'air ambiant. EP-A-0628778 décrit un stockage de liquide cryogénique dont le liquide est pompé et ensuite vaporisé dans un vaporiseur avant d'être envoyé chez le client. Large Oxygen Plant Economics and Reliability > ) de W. J. Scharle, Bulletin Y-143, National Fertilizer Division Center, Tennessee Valley Authority, Muscle Shoals, Ala. et Oxygen Facilities for Synthetic Fuel Projects W. J. Scharle et K. Wilson, Journal of Engineering for Industry, novembre 1981, Vol. 103, pp. 409-417 décrivent un système de production d'oxygène de secours composé : d'un stockage contenant une quantité de produit sous forme liquide de plusieurs pompes (ici deux pour raison de fiabilité) qui soutirent le liquide contenu dans le stockage pour le comprimer à la pression normalement délivrée aux clients (pression dans la canalisation) * d'un échangeur dont la fonction est de vaporiser le liquide sous pression. En sortie de cet équipement, le gaz est en général proche de la température ambiante et est envoyé vers le client. En fonction des sources d'énergie disponibles sur le site et de leurs coûts, cet échangeur peut utiliser comme calorigène pour vaporiser le liquide sous pression par exemple de l'air, de la vapeur d'eau, de l'eau chaude, des fumées de combustion. Une des caractéristiques principales de ces installations de secours est leur temps de démarrage. Celui-ci est particulièrement important car il conditionne la qualité et la continuité de la fourniture de gaz aux clients. Un temps de démarrage trop long après un déclenchement de l'unité de production, peut générer une trop forte baisse de pression dans la canalisation et générer des disfonctionnements dans les procédés des clients et l'arrêt de son installation. Dans le cas des systèmes de production d'oxygène décrits dans les articles ci-dessus, une capacité-tampon d'oxygène gazeux est prévue pour fournir le produit pressurisé pendant le temps nécessaire pour mettre en oeuvre la pompe (environ 15-20 minutes d'après les articles de W. J. Scharle notés cidessus). Mise en froid de la pompe, démarrage du moteur, montée en régime de la pompe, refroidissement des lignes de connexion, démarrage de vapo et montée de régimer du vapo. Classiquement, si la pompe de vaporisation est maintenue en permanence à température cryogénique, le temps nécessaire au système de secours pour atteindre de façon stable, 100% de sa capacité est de l'ordre de 5 minutes qui se décomposent en 1 à 2 minutes pour le démarrage de la pompe et 2 à 3 minutes pour la montée en régime de l'échangeur de vaporisation. Un choix judicieux de l'architecture et des agencements des différents éléments (tuyaux courts entre la pompe et le stockage et entre la pompe et l'échangeur) permet de réduire ce temps à 3 minutes. Dans certains cas, ce temps de 3 minutes est encore trop long vis-à-vis des contraintes de fluctuations de pression autorisées dans la canalisation : dans ce cas comme décrit ci-dessus une solution consiste à installer en aval de l'échangeur des capacités-tampon de gaz (à 200 bars par exemple) dimensionnées pour fournir la production pendant 1 à 3 minutes, le temps que le système de la pompe et du vaporiseur atteigne son régime normal de fonctionnement. L'inconvénient de cette solution en est son prix élevé (gros volume, pression haute, pompe pour remplir les capacités-tampon...). Selon l'invention, il est prévu un procédé de fourniture de secours d'un gaz sous pression par vaporisation d'un liquide pressurisé dans lequel a) on stocke le liquide à pressuriser dans un stockage b) on soutire du liquide du stockage et on le pressurise et on vaporise au moins une partie du liquide pressurisé dans un vaporiseur pour produire le gaz de secours sous pression caractérisé en ce que, si le débit de gaz sous pression n'est pas requis, on soutire du liquide du stockage et on le pressurise, on vaporise une partie du liquide pressurisé dans un vaporiseur et on renvoie le reste du liquide pressurisé au stockage après dépressurisation. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention : 'une conduite reliant le stockage et une pompe est conçue pour délivrer un débit nominal de liquide, et si le débit de gaz sous pression n'est pas requis, on soutire du liquide du stockage correspondant au débit nominal et on le pressurise, et on renvoie entre 75 et 95 % mol. du débit nominal du liquide pressurisé au stockage après dépressurisation. * si le débit de gaz sous pression n'est pas requis, on renvoie entre 80 et 90 % mol. du débit nominal du liquide pressurisé au stockage après dépressurisation. * le liquide à pressuriser est riche en oxygène, en argon, en azote, en hydrogène, en hélium, en méthane ou en monoxyde de carbone. . le liquide est pressurisé au moyen d'au moins une pompe. 'aucune capacité-tampon de gaz sous pression n'est utilisée. Selon un autres aspect de l'invention, il est prévu une installation de fourniture de secours d'un gaz sous pression par vaporisation d'un liquide pressurisé comprenant i) un stockage ii) une pompe iii) un vaporiseur iv) des moyens pour envoyer un liquide au stockage v) des moyens pour soutirer un liquide du stockage et pour envoyer ce liquide soutiré à la pompe vi) des moyens pour envoyer le liquide pressurisé par la pompe au vaporiseur où il se vaporisé vii) des moyens pour prélever le liquide vaporisé du vaporiseur caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour renvoyer une partie du liquide pressurisé de la pompe au stockage et des moyens pour dépressuriser cette partie du liquide entre la pompe et le stockage. L'invention-pefmet-de-faire-fonetionner le système de vaporisation-tel que décrit ci-dessous afin d'être capable d'atteindre 100% du débit nominal du vaporiseur de secours en un temps qui aurait nécessité de façon classique l'installation d'une capacité-tampon de gaz à haute pression. . Fonctionnement en permanence des pompes au point de fonctionnement normal et recyclage de l'excès de liquide dans le stockage . Vaporisation d'une partie du liquide pompé dans l'échangeur de vaporisation (% moi. du débit nominal : 20% par exemple). Ce système permet de fournir le plein débit vers le client en moins de 30 secondes. Les désavantages de ce système sont une consommation continue de liquide à cause des entrées de chaleur de la pompe et le surcoût d'une partie de la production gazeuse de l'appareil sous forme liquide. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui est un schéma de principe d'une installation opérant selon le procédé de l'invention. Un appareil de séparation d'air fournit un débit d'oxygène liquide 1 au stockage 3. Que le débit de secours soit requis ou non, un débit d'oxygène liquide est envoyé par la conduite 5 à la pompe 7 où il est pressurisé. Si le débit de secours est requis, en raison de manque ou absence de production d'oxygène gazeux sous pression de l'appareil de séparation d'air et tout l'oxygène pressurisé est envoyé au vaporiseur 13 où il se vaporise par échange de chaleur avec de l'air, de la vapeur d'eau, de l'eau chaude ou du gaz naturel. Ainsi le liquide vaporisé 15 est livré à l'utilisateur. Si le débit de secours n'est pas requis, un débit d'oxygène liquide est envoyé par la conduite 5 à la pompe 7 où il est pressurisé. Ensuite le débit est divisé en deux, la plupart du débit étant détendu dans la vanne 8 et renvoyé au stockage 3 par la conduite 9. Le restant du débit est vaporisé dans le vaporiseur 13 où il se vaporise par échange de chaleur avec de l'air, de la vapeur d'eau, de l'eau chaude ou du gaz naturel. Le liquide vaporisé 15 est ensuite envoyé au client mélangé au débit gazeux produit par l'appareil de séparation d'air. De préférence, si le débit de secours n'est pas requis, le débit d'oxygène liquide envoyé par la conduite 5 correspond au débit nominal D de la conduite 5. Le restant du débit vaporisé dans le vaporiseur correspond à entre 5 et 25 % mol., de préférence entre 5 et 15% mol. du débit nominal D. REVENDICATIONS 1. Procédé de fourniture de secours d'un gaz sous pression par vaporTsatioTrdcrrHrquidepressufiséans-lequel a) on stocke le liquide à pressuriser dans un stockage (3) b) on soutire du liquide du stockage et on le pressurise et on vaporise au moins une partie du liquide pressurisé dans un vaporiseur (13) pour produire le gaz de secours sous pression caractérisé en ce que, si le débit de gaz sous pression n'est pas requis, on soutire du liquide du stockage et on le pressurise, on vaporise une partie du liquide pressurisé dans un vaporiseur et on renvoie le reste du liquide pressurisé au stockage après dépressurisation. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel une conduite (5) reliant le stockage (3) et une pompe (7) est conçue pour délivrer un débit nominal de liquide, et si le débit de gaz sous pression n'est pas requis, on soutire du liquide du stockage correspondant au débit nominal et on ! e pressurise dans la pompe, et on renvoie entre 75 et 95 % mol. du débit nominal du liquide pressurisé au stockage après dépressurisation. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel si le débit de gaz sous pression n'est pas requis, on renvoie entre 80 et 90 % mol. du débit nominal du liquide pressurisé au stockage (3) après dépressurisation. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le liquide à pressuriser est riche en oxygène, en argon, en azote, en hydrogène, en hélium, en méthane ou en monoxyde de carbone. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le liquide est pressurisé au moyen d'au moins une pompe (7). 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel aucune capacité-tampon de gaz sous pression n'est utilisée. 7. Installation de fourniture de secours d'un gaz sous pression par vaporisation d'un liquide pressurisé comprenant i) un stockage (3) ii) une pompe (7) iii) un vaporiseur (13) iv) des moyens pour envoyer un liquide au stockage (1) v) des moyens pour soutirer un liquide du stockage et pour envoyer ce liquide soutiré à la pompe (5) vi) des moyens (11) pour envoyer le liquide pressurisé par la pompe au vaporiseur où il se vaporisé vii) des moyens (15) pour prélever le liquide vaporisé du vaporiseur caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (9) pour renvoyer une partie du liquide pressurisé de la pompe au stockage et des moyens (8) pour dépressuriser cette partie du liquide entre la pompe et le stockage.