Brevet FR2914393A1 — publié le 20081003

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de préparation de bouteilles de gaz sous pression. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de préparation d'au moins une bouteille de gaz sous pression comprenant une purification du volume intérieur de la bouteille au moyen d'un gaz neutre tel que l'azote. Les solutions connues de purge de bouteilles pour éliminer un polluant indésirable tel que l'air ne sont pas satisfaisantes dans toutes les applications. Une solution connue consiste à répéter dans la bouteille des cycles de compression (quelques bar) et de tirage au vide (vide primaire en général). Cette solution n'est pas totalement satisfaisante dans certains processus industriels. Ainsi, le conditionnement de gaz de très haute pureté avec des niveaux d'impuretés de l'ordre par exemple de 0.1 ppm nécessite des équipements et des procédures de conditionnement spécifiques pour sécher intérieurement les bouteilles, étuves et groupe de pompage, et purifier les gaz matières premières au niveau requis. L'investissement dans l'outil de fabrication et les coûts de production additionnels sont considérables et nécessitent d'avoir un marché suffisant de bouteilles de gaz de très haute pureté. Ceci est particulièrement problématique dans des pays dit émergents où les infrastructures sont réduites. Une solution alternative consiste à remplir des bouteilles avec du gaz de qualité standard et de soutirer du gaz de haute pureté grâce à un système de purification situé à l'intérieur de la bouteille (le système de purification peut être logé dans un robinet ou une valve prévue à cet effet). Un tel clapet est décrit par exemple dans le document W02004/111508 Al. Ce type de clapet permet de bi-passer le purificateur lors du remplissage de la bouteille et d'envoyer le gaz à travers le purificateur lors de la vidange de la bouteille. Cependant, la structure de ce type de clapet ne permet pas de faire le vide à l'intérieur de la bouteille. Un but de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif de préparation de bouteilles palliant tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus et permettant de préparer des bouteilles de gaz aussi bien à des niveaux de pureté standard qu'à de hautes puretés (par exemple de l'ordre du ppm). A cette fin, le procédé selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que la purification comprend une étape de balayage continu du volume intérieur de la bouteille par un flux de gaz neutre sous pression pendant une durée déterminée, l'étape de balayage comprenant, en simultané, d'une part l'introduction en continu de gaz neutre et, d'autre part, l'évacuation de gaz neutre ayant balayé le volume intérieur de la bouteille. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le gaz neutre de balayage est chauffé préalablement à son introduction dans la bouteille à une température comprise entre 20 C et 120 C et de préférence entre 50 C et 90 C, - le gaz neutre de balayage est introduit dans la bouteille à un débit compris entre 11/min et 100 à 200m3lheure et de préférence entre 50 litres/min et 200 litres/min, - lors de l'introduction de gaz, le gaz neutre débouche dans la bouteille au niveau d'une première extrémité de la bouteille et en ce que, lors de l'évacuation le gaz quitte l'intérieur de la bouteille au niveau d'une seconde extrémité, les première et seconde extrémités étant sensiblement opposées, - le procédé comporte une étape de mesure d'au moins une impureté parmi : l'humidité (eau), l'oxygène, le gaz carbonique, H2, NOx, CO, THC, CH4, SO2, H2S dans le gaz neutre ayant balayé le volume intérieur de la bouteille et en ce que l'étape de balayage est maintenue tant que la teneur de la ou des impuretés ne descend pas en dessous d'un seuil prédéterminé, - le procédé comporte, à l'issue de l'étape de balayage, une étape de projection d'un rideau de gaz neutre au niveau de l'orifice de la bouteille et une étape de montage, dans l'orifice de la bouteille, d'un système de valve/robinet, l'étape de projection d'un rideau de gaz neutre étant réalisée préalablement et éventuellement simultanément à l'étape de montage du système de valve/robinet, Selon une autre particularité, l'étape l'introduction et l'évacuation de gaz neutre est réalisée au travers d'un organe d'obturation amovible de l'orifice de la bouteille. L'invention concerne également un dispositif de préparation d'une bouteille de gaz sous pression de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après. A cette fin, le dispositif selon l'invention est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend un organe d'obturation destiné à obturer de façon amovible l'orifice de la bouteille, un conduit d'amenée de gaz neutre de balayage traversant l'organe d'obturation possédant une extrémité destinée à être située à l'extérieure de la bouteille et une extrémité destinée à être située à l'intérieur de la bouteille, un conduit d'évent traversant l'organe d'obturation possédant une extrémité destinée à être située à l'extérieure de la bouteille et une extrémité destinée à être située à l'intérieur de la bouteille. Selon d'autres particularités possibles : - l'extrémité intérieure du conduit d'amenée est décalée par rapport à l'extrémité intérieure du conduit d'évent, pour favoriser une circulation et un brassage du gaz de balayage dans la bouteille, -l'extrémité extérieure du conduit d'amenée est associée à un organe de chauffage, - les conduits d'amenée et de d'évent comportent des portions concentriques, notamment au niveau de la zone traversant l'organe d'obturation. - le dispositif comporte un conduit d'alimentation destiné à déboucher au niveau de l'entrée de l'orifice de la bouteille pour projeter un rideau de gaz neutre de protection de l'entrée de polluants dans la bouteille, - le conduit d'alimentation comprend une buse terminale de projection de forme générale circulaire concentrique à l'orifice d'entrée de la bouteille, - le dispositif comporte une bride de montage destinée à coopérer en fixation avec d'une part avec la bouteille et d'autre part avec l'organe d'obturation pour maintenir ce dernier sur la bouteille, le conduit d'alimentation est formé dans la bride de montage, - lors étape de balayage le flux de gaz neutre introduit est soumis à des variations de pression, par exemple passage de la pression du gaz de balayage (quelques bar) à un vide primaire de l'ordre du mbar, par exemple au moyen d'un venturi, - la quantité de gaz neutre introduit dans la bouteille lors de l'étape de balayage est fonction du volume de la bouteille, et de préférence comprise entre 5 fois le volume et 40 fois le volume et de préférence enter 15 et 30 fois le volume, - le gaz neutre de balayage est introduit dans la bouteille à une pression comprise entre pression atmosphérique et 20 bar et de préférence entre 1.5 et 7 bar, - l'organe d'obturation est séparable de la bride de montage, - l'étape de balayage est suivie d'une purge avec de l'argon ou de l'Hélium, - un venturi est utilisé avec du gaz Hélium ou argon pour purger l'azote 10 résiduel dans la bouteille ayant subi un balayage. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue de côté et schématique illustrant un premier exemple de structure et de fonctionnement de l'invention appliqué à une bouteille, 15 - la figure 2 représente une vue de côté et schématique illustrant un second exemple de structure et le fonctionnement de l'invention appliqué simultanément à une pluralité de bouteilles, - la figure 3 représente une vue de dessus illustrant un troisième exemple de structure et le fonctionnement de l'invention appliqué à une bouteille, 20 - la figure 4 représente une vue en coupe selon la ligne AA de la figure 3, - la figure 5 représente une vue en perspective et en coupe partielle d'un détail de la figure 3 illustrant l'agencement du dispositif de préparation au niveau de la bouteille, - la figure 6 représente une vue en coupe d'un détail de la figure 3 dans 25 laquelle une partie du dispositif de préparation de la bouteille est retiré pour réalisation d'un rideau de gaz de protection à l'entrée de l'orifice ouvert de la bouteille, - la figure 7 représente une vue en coupe d'un détail de la figure 3 dans laquelle une partie du dispositif de préparation de la bouteille est retiré et un 30 robinet est monté dans l'orifice de la bouteille. La méthode de préparation selon l'invention consiste à balayer l'intérieur de la bouteille 1 avec un gaz G neutre, de préférence l'azote, de façon notamment à purger l'air (figure 1). Le volume de gaz de balayage de la bouteille 1 peut être adapté au volume de la bouteille 1 de façon à faire descendre le niveau des différentes impuretés à un niveau souhaité, par exemple un niveau de pureté compatible avec les possibilités d'épurations d'un filtre qui sera éventuellement implanté dans la bouteille ou en sortie de la bouteille. Dans le cas où l'on voudrait conditionner dans la bouteille de l'Argon ou de l'Hélium, on peut envisager en variante de terminer le cycle de préparation par une purge en Argon ou Hélium en lieu et place de l'azote. Une autre possibilité est d'utiliser un venturi pour enlever l'azote résiduel dans la bouteille avant d'introduire l'Hélium ou l'Argon. Cette méthode est toujours d'un coût raisonnable (un effet venturi est bien moins coûteux qu'un groupe de pompage) et sera la méthode préférentielle pour remplir en l'Hélium. En effet, l'Hélium gazeux léger ne permet pas de purger efficacement un gaz plus lourd que lui (tel que l'azote). Ce problème ne se pose pas pour l'Argon qui est plus lourd que l'azote. Dans le cas d'un conditionnement d'un gaz neutre (N2, He, Ar) les impuretés auxquelles on s'attachera particulièrement pourrons être: l'humidité et l'oxygène notamment. En effet, en général il n'y a pas de spécification sur l'azote et l'argon et les autres impuretés dans l'air sont à des concentrations bien moindres. En ce qui concerne le gaz carbonique, le procédé préparation pourra purger ce dernier ou admettre un taux de résidu si, par exemple, le gaz carbonique est ultérieurement filtré par un clapet de purification monté sur la bouteille 1 ou en aval. En se référant à l'exemple de la figure 1, le gaz G de balayage est acheminé via un tube 4 qui plonge jusqu'au fond de la bouteille 1 pour mieux purger la bouteille de l'air qu'elle contient. Le tube 4 d'amenée traverse un organe de fermeture 3 de l'orifice de la bouteille 1. Des orifices (non représentés) peuvent être pratiqués dans la paroi latérale du tube 4 d'amenée afin d'améliorer le brassage des gaz. Comme représenté, le gaz G de purge peut être chauffé (résistance ou analogue), par exemple entre 50 et 70 C, pour éliminer notamment l'humidité adsorbée sur les parois internes de la bouteille 1. Le gaz G est ensuite évacué naturellement par la pression interne vers un évent (conduit 5) qui prélève le gaz G de préférence en partie supérieure de la bouteille 1. Bien entendu, le gaz G de balayage peut emprunter le chemin inverse. La bouteille 1 est isolée de l'extérieur par un organe 3 de fermeture à bride au travers duquel passent les deux canalisations d'entrée 4 de gaz de purge et de sortie 5 des gaz G. Un dispositif 7 de contrôle du taux d'oxygène et/ou de l'humidité et/ou d'un autre composant peut être prévu sur le conduit de sortie 5. Le balayage peut être maintenu jusqu'à ce que les teneurs en humidité et en oxygène deviennent inférieures à des seuils respectifs déterminés, par exemple respectivement à 3ppm et 1% à la pression atmosphérique. L'organe de fermeture 3 isolant la bouteille 1 peut alors être retiré et un robinet/valve (avec purificateur ou non) ou analogue est alors immédiatement fixée dans l'orifice de la bouteille 1. En appliquant un débit de gaz de 50L/min d'azote à 70 C dans une bouteille du type (B50 acier), au bout de deux heures de purge à la pression atmosphérique, les niveaux d'oxygène et d'humidité mesurés sont respectivement de 2.5 ppm et 16 ppm. Au bout de 3,5 heures de purge à la pression atmosphérique, les niveaux d'oxygène et d'humidité sont respectivement de 180 ppb et 8 ppm pour un débit de gaz de purge de 50L/min. Une amélioration de ces résultats peut être obtenue simplement en incluant dans le procédé de balayage des variations de pression (utilisation d'un venturi par exemple...) et/ou un chauffage plus efficace de la bouteille et/ou en augmentant le débit. De préférence, le gaz de balayage (azote par exemple) a la forme d'un flux laminaire dans la bouteille. Ceci limite les phénomènes de convection d'azote dans la bouteille et génère une remontée optimum d'azote chargé d'humidité vers la sortie de la bouteille. Pour générer un tel flux laminaire la vitesse du gaz est de préférence inférieure ou égale à 0,5 m/se environ. Cette bouteille 1 de test ainsi préparée a ensuite été remplie à une pression de 30 bar avec de l'azote de type commercialisé sous la marque Alphagaz 2 par la demanderesse (moins de 0.5 ppm d'eau et 0.1 ppm d'oxygène) et vidangée jusqu'à la pression de 1.5 0.2 bar. Les concentrations en oxygène et en eau contenues dans la bouteille 1 ont été mesurées durant la vidange. Il a été constaté que cette méthode était déjà suffisante pour avoir une quantité totale d'impureté inférieure à 10 ppm (c'est-à-dire un grade ce qui correspond à une pureté de N50 pur à 99,999%. Cette méthode peut être adaptée pour obtenir de meilleurs résultats, par exemple : 200 ppb d'oxygène et 4 ppm d'humidité à 20 bar. De préférence, un rideau de gaz neutre est réalisé avant et/ou pendant la mise en place du robinet/valve (lorsque la bouteille est ouverte) comme décrit plus en détail ci-après. Plusieurs bouteilles 1 peuvent être préparées simultanément (cf. figure 2) via des conduits 4, 5 avec vannes respectives 12, 13 et des rampes communes. Dans cette configuration; les robinets/valves (vanne+clapet de distribution+cartouche de purification éventuelle) peuvent être fixés les uns après les autres pendant que les autres bouteilles 1 sont laissées sous balayage de gaz G pendant cette opération de montage/démontage. Dans le cas d'un remplissage de gaz de haute pureté avec des niveaux d'impureté de l'ordre du ppm il est possible, après préparation, de mettre à la place d'un purificateur, un robinet de bouteille puis de faire deux cycles de remplissage à 100 bar avec le gaz à remplir puis vidange complète de la bouteille pour abaisser la concentration d'oxygène de 1% à I ppm et d'azote de 100% à 100 ppm ce qui est tolérable sur l'azote lorsqu'il n'y a pas de spécification. Cette absence de spécification pour l'azote s'explique par le fait que ce composant n'est en général pas gênant pour les applications visées (gaz de laboratoire notamment). Dans le cas où la teneur en azote est plus critique et contraignante, on utilisera par exemple la variante avec venturi décrite plus haut. Quand le balayage de la bouteille 1 est terminé, l'organe 3 de fermeture (avec les conduits 4, 5 du système de balayage) doit être retiré pour pouvoir monter un robinet ou une valve/purificateur par exemple. En se référant aux figures 3 et 4, les conduits d'amenée 4 et d'évent 5 peuvent être concentriques, notamment au travers de l'organe 3 de fermeture et dans la bouteille 1. De plus, une sonde 14 de température (facultative) peut traverser l'organe 3 de fermeture pour contrôler la température dans la bouteille 1. L'orifice de la bouteille 1 est refermé par un organe 3 en forme de disque. L'étanchéité peut être assurée par un joint 30 torique. L'organe 3 de fermeture est maintenu sur la bouteille de façon amovible au moyen par exemple d'une bride 11 (en une ou plusieurs parties) montée sur le col de la bouteille 1 (par exemple via un taraudage vissé sur un filetage 31 du col de la bouteille 1). Le maintien de l'organe 3 de fermeture sur la bouteille 1 peut être complété par un système d'organes d'accrochage (par exemple deux taquets 17 bloquant l'organe d'accrochage par rapport à la bride 11). Après retrait des taquets 17, l'organe 3 de fermeture peut être retiré et, pour éviter de re-polluer l'intérieur de la bouteille balayée, le robinet ou équivalent doit être monté rapidement dans l'orifice de la bouteille 1. Pour encore améliorer la préparation de la bouteille 1, la bride 11 peut être adaptée pour éviter que l'intérieur de la bouteille 1 soit en contact avec l'air ambiant au moment du démontage de l'organe 3 ainsi que pendant le montage du robinet/valve 2 (cf. figure 7). A cet effet, la bride 11 peut être équipée d'une arrivée 8 de gaz neutre (azote par exemple) séparée du conduit 4 d'amenée. L'arrivée 8 d'azote alimente un canal 28 (interne de préférence) de la bride 11 débouchant par une fente 18 de préférence circulaire pour créer un rideau R au niveau de l'orifice. La fente 18 est concentrique à l'orifice de la bouteille 1 et oriente le gaz de rideau par exemple sensiblement perpendiculairement à l'axe vertical de la bouteille 1. Le gaz créé ainsi un rideau R qui protège de l'air ambiant l'intérieur de la bouteille 1 ouverte. En mettant en action le rideau R d'azote préalablement à ces opérations de montage/démontage (organe 3/robinet), l'intérieur de la bouteille 1 est mieux protégé d'une pollution extérieure en air, et les bénéfices du balayage antérieur sont mieux préservés. L'invention, tout en étant de structure simple et peu coûteuse, permet de préparer des bouteilles de façon que le gaz délivré à l'utilisateur soit en accord avec les spécifications du produit. De plus, l'invention permet de conserver la structure des composants de clapets de purification tels que décrits en préambule. L'invention ne nécessite pas, quelles que soient les préparations, d'équipement supplémentaire à ceux nécessaires pour les gaz de qualité standard. L'invention s'applique à tout type de bouteilles de fluide sous pression. L'invention s'applique notamment à toute bouteille destinée à recevoir un clapet/robinet (pourvu ou non d'un organe de purification et permettant ou non de faire le vide dans la bouteille). REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation d'au moins une bouteille de gaz sous pression comprenant une purification du volume intérieur de la bouteille (1) au moyen d'un gaz neutre tel que l'azote, caractérisé en ce que la purification comprend une étape de balayage continu du volume intérieur de la bouteille (1) par un flux de gaz neutre sous pression pendant une durée déterminée, l'étape de balayage comprenant, en simultané, d'une part l'introduction en continu de gaz neutre et, d'autre part, l'évacuation de gaz neutre ayant balayé le volume intérieur de la bouteille (1). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz neutre de balayage est chauffé préalablement à son introduction dans la bouteille (1) à une température comprise entre 20 C et 120 C et de préférence entre 50 C et 90 C. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le gaz neutre de balayage est introduit dans la bouteille (1) à un débit compris entre 11/min et 100 à 200 m3/heure et de préférence enter 50 litres/min et 200 litres/min 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, lors de l'introduction de gaz, le gaz neutre débouche dans la bouteille (1) au niveau d'une première extrémité de la bouteille (1) et en ce que, lors de l'évacuation le gaz quitte l'intérieur de la bouteille au niveau d'une seconde extrémité, les première et seconde extrémités étant sensiblement opposées. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de mesure d'au moins une impureté parmi : l'humidité (eau), l'oxygène, le gaz carbonique, H2, NOx, CO, THC, CH4, SO2, H2S dans le gaz neutre ayant balayé le volume intérieur de la bouteille (1) et en ce que l'étape de balayage est maintenue tant que la teneur de la ou des impuretés ne descend pas en dessous d'un seuil prédéterminé. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte, à l'issue de l'étape de balayage, une étapede projection d'un rideau (R) de gaz neutre au niveau de l'orifice de la bouteille (1) et une étape de montage, dans l'orifice de la bouteille, d'un système (2) de valve/robinet, l'étape de projection d'un rideau (R) de gaz neutre étant réalisée préalablement et éventuellement simultanément à l'étape de montage du système (2) de valve/robinet. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce l'étape l'introduction et l'évacuation de gaz neutre est réalisée au travers d'un organe (3) d'obturation amovible de l'orifice de la bouteille (1). 8. Dispositif de préparation d'une bouteille de gaz sous pression de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un organe (3) d'obturation destiné à obturer de façon amovible l'orifice de la bouteille (1), un conduit (4) d'amenée de gaz neutre de balayage traversant l'organe (3) d'obturation possédant une extrémité destinée à être située à l'extérieure de la bouteille (1) et une extrémité destinée à être située à l'intérieur de la bouteille (1), un conduit (5) d'évent traversant l'organe (3) d'obturation possédant une extrémité destinée à être située à l'extérieure de la bouteille (1) et une extrémité destinée à être située à l'intérieur de la bouteille (1). 9. Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que l'extrémité intérieure du conduit (4) d'amenée est décalée par rapport à l'extrémité intérieure du conduit (5) d'évent, pour favoriser une circulation et un brassage du gaz de balayage dans la bouteille (1). 10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9 caractérisé en ce que l'extrémité extérieure du conduit (4) d'amenée est associée à un organe (6) de chauffage. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que les conduits (4) d'amenée et de d'évent (5) comportent des portions concentriques, notamment au niveau de la zone traversant l'organe (3) d'obturation. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte un conduit (8) d'alimentation destiné à déboucher au niveau de l'entrée (E) de l'orifice de la bouteille (1) pourprojeter un rideau (R) de gaz neutre de protection de l'entrée de polluants dans la bouteille (1). 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le conduit (8) d'alimentation comprend une buse (18) terminale de projection de forme générale circulaire concentrique à l'orifice d'entrée (E) de la bouteille (1). 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte une bride (11) de montage destinée à coopérer en fixation avec d'une part avec la bouteille (1) et d'autre part avec l'organe (3) d'obturation pour maintenir ce dernier sur la bouteille (1). 15. Dispositif selon la revendication 14 prise en combinaison avec l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que le conduit (8) d'alimentation est formé dans la bride (11) de montage.