Brevet FR2959295A1 — publié le 20111028

La présente invention concerne le domaine des procédés de remplissage en liquide cryogénique tel l'azote liquide d'un réservoir aval, à partir d'un stockage amont. Elle s'intéresse plus particulièrement aux méthodes permettant un remplissage rapide. On trouve de telles opérations de remplissage par exemple pour le remplissage de réservoirs présents dans des camions utilisés pour le transport et la distribution de produits thermosensibles, tels les produits pharmaceutiques et les produits alimentaires. De façon traditionnelle, le fluide cryogénique, par exemple l'azote liquide est disponible dans un stockage amont de grande capacité, raccordé à un équipement consommateur de ce fluide en aval tel le réservoir d'un camion, le stockage amont contenant sous une pression de stockage supérieure à la pression atmosphérique, le fluide cryogénique en phase liquide au fond du réservoir et en phase gazeuse au sommet du réservoir, ce stockage étant adapté pour d'une part alimenter l'équipement consommateur aval en liquide qui est soutiré au fond du stockage, et d'autre part pour être approvisionné depuis l'extérieur en fluide. On utilise le plus couramment des stockages dits « à basse pression de stockage », c'est-à-dire dont la pression maximale atteinte au sommet du réservoir est en général inférieure à environ 4 bars absolus, classiquement 1,5 bar relatif de pression au sommet du stockage. Pour procéder au transfert rapide du fluide entre ce stockage amont et un tel point aval, par exemple un réservoir à remplir, on utilise couramment une pompe cryogénique, pour augmenter la pression amont lors du transfert vers le réservoir cryogénique situé en aval (figure 1 ci-après annexée). Mais on sait que l'utilisation de telles pompes cryogéniques peut présenter des inconvénients en termes de coût, d'obligations de maintenance, et de contraintes opérationnelles spécifiques telles que la mise en froid avant utilisation. Une pompe cryogénique comprend en effet des pièces tournantes qui nécessitent un entretien spécifique. Une autre solution a été proposée qui consiste à utiliser une capacité intermédiaire de transfert qui sera pressurisée avant le remplissage final vers le réservoir aval. Cette solution implique l'utilisation d'un réservoir additionnel, d'où une contrainte d'encombrement et un mode de fonctionnement qui va fortement dépendre du procédé en aval (mise en pression avant utilisation et gestion du remplissage lorsqu'il est vide....). Une autre solution a été proposée qui consiste à maintenir le stockage cryogénique en amont à la pression d'utilisation lors du transfert mais on sait qu'alors, du fait des caractéristiques de comportement des fluides cryogéniques, dans ces conditions le fluide tendra à se diriger vers la température d `équilibre à la pression du stockage, ce qui donnera lieu à la création de diphasique lors du transfert donc à une réduction du débit lié à la présence du gaz dans l'écoulement (à titre illustratif, 1% de diphasique massique en azote = ratio masse gaz/masse totale équivaut à un taux de vide de 50% i. e. la section occupée par le gaz / section totale). Un des objectifs de la présente invention est alors de proposer une nouvelle approche de remplissage rapide, permettant d'apporter une solution aux problèmes techniques identifiés ci-dessus. Comme on le verra plus en détail dans ce qui suit, la présente invention propose une nouvelle méthode de remplissage dont les caractéristiques essentielles peuvent être résumées ainsi : - on utilise le stockage amont directement, sans intervention d'une capacité additionnelle ; - on met en place une différence de pression entre le stockage amont et le point aval, en établissant au niveau de ce stockage amont une « surpression », à savoir en le pressurisant à une pression supérieure à la pression d'équilibre correspondante à la température du fluide cryogénique du stockage, et en maintenant par des moyens de contrôle/régulation une telle pression supérieure, ce qui va permettre de transférer du liquide sous-refroidi par rapport à sa pression de transfert et donc d'effectuer des remplissages avec des débits plus importants, en limitant les pertes par vaporisation lors du transfert liées aux pertes de charge de l'installation et aux entrées thermiques (le temps de remontée en température du liquide étant suffisamment long par rapport à son temps de séjour dans le stockage amont entre deux remplissages) ; - pour cela, selon un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, on met en place sur le stockage amont ou on associe au stockage amont un dispositif de contrôle, apte à gérer de façon automatisée la pression d'alimentation en liquide cryogénique du stockage amont en pied de cuve (phase liquide), et la température du liquide cryogénique stocké, pour maintenir la phase gaz de ce stockage amont à une telle pression supérieure à la pression d'équilibre du stockage. La présente invention concerne alors un procédé de remplissage en liquide cryogénique d'au moins un réservoir aval, à partir d'un stockage amont, stockage amont qui contient, sous une pression de stockage supérieure à la pression atmosphérique, le fluide cryogénique en phase liquide au fond du stockage et en phase gazeuse au sommet du stockage, ledit stockage amont étant adapté pour alimenter le réservoir aval en liquide soutiré à partir du fond du stockage, ainsi que pour être approvisionné depuis l'extérieur en fluide, se caractérisant en ce que l'on met en place et l'on maintient une différence de pression entre le stockage amont et le réservoir aval, en établissant au niveau de la phase gaz du stockage amont une pression supérieure à la pression d'équilibre du stockage. Selon un des modes de mise en oeuvre de l'invention, on met en place et l'on maintient au niveau de la phase gaz du stockage amont un niveau de pression égal à : Pg = OP+P1 ù p g h» où : - Pg est la pression maintenue dans le ciel gazeux du stockage ; - AP est la perte de charge dans la ligne entre stockage amont et réservoir aval ; - PI est la pression du liquide dans la ligne ; - p est la masse volumique du liquide stocké; - g =9,81 m/s2 ; - et h est la hauteur de liquide disponible. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description suivante, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés pour lesquels : - la figure 1 est une vue schématique partielle d'une installation traditionnelle de remplissage d'un réservoir aval en azote liquide à partir d'un stockage amont, mettant en oeuvre une pompe cryogénique ; - la figure 2 est une vue schématique partielle d'une installation de remplissage rapide conforme à l'invention. On reconnaît sur la figure 1 la structure traditionnelle d'une telle installation de remplissage, avec présence sur la ligne d'un moyen de pressurisation du liquide extrait du stockage en pied de cuve et transporté vers le réservoir aval, structure bien connue et qui en conséquence ne sera pas décrite ici plus avant. La figure 2 illustre quant à elle une installation conforme à l'invention, qui ne comporte pas une tel moyen de pressurisation, mais qui en revanche comporte un dispositif de contrôle, apte à agir de façon automatisée sur la pression d'alimentation en liquide cryogénique du stockage amont en pied de cuve et sur la température du liquide cryogénique stocké, en réponse à une 4 mesure de la pression de la phase gaz du stockage amont et de la position de cette mesure par rapport à la pression d'équilibre du stockage, pour maintenir une différence de pression entre le stockage amont et le réservoir aval, en maintenant cette pression de la phase gaz à un niveau supérieur à la pression d'équilibre du stockage correspondante à la température du fluide cryogénique du stockage. A titre d'exemple, la pression de transfert du fluide cryogénique est ajustée à la valeur nominale souhaitée, par exemple 5 bar relatif pour une application donnée en azote liquide en aval, la température du fluide est par ailleurs contrôlée par rapport à une valeur de référence dans des conditions données, par exemple -187°C qui correspond à une pression d'équilibre de 1,5 bar relatif. Si après une période d'utilisation, l'écart de température par rapport à la valeur de consigne est supérieur à l'hystérésis paramétrée, une nouvelle consigne de pression est insérée dans le contrôleur afin de réduire la pression de ciel gazeux associée et par conséquent de limiter le réchauffement du fluide dans le stockage lors des périodes non-opérationnelles des transferts. Le système se remet à la pression d'utilisation en prévision d'une réutilisation opérationnelle de l'installation de transfert rapide. Le dispositif de contrôle permet ainsi une gestion paramétrable des données de pression, température et heure afin d'optimiser les consommations globales de l'installation. Le tableau de résultats d'expérimentations ci-dessous permet de mieux visualiser les avantages de telles conditions conformes à l'invention. Ce tableau indique des temps de remplissage obtenus pour 410 litres d'azote liquide transférés de l'amont à l'aval, pour différentes conditions opératoires : - des deltas de pression entre l'amont et l'aval de 1, 2 ou 3 bar ; - en combinaison avec des températures régulées de la phase liquide du stockage amont de -177°C, -181, -187 ou -191 °C ; - dans chaque cas, la valeur « Psat » représente la pression d'équilibre de l'azote à la température de liquide considérée. Pour chaque condition opératoire, le tableau fournit le temps de remplissage ainsi que le débit moyen mis en oeuvre. Ainsi à titre d'exemple pour un delta de 3 bar (Pamont = 5 bar et Pavai = 2 5 bars) avec une température du liquide régulée à -187°C, on remplit en 3,7 minutes les 410 litres d'un réservoir aval, avec un débit moyen de 110,8 I/min. Différence Temps de remplissage pour 410 litres de pression (bar) et débit moyen mis en oeuvre Ti = -191°C Ti = - 187°C Ti = - 181°C Ti = - 177°C Psat = 0.7 bar Psat = 1.5 bar Psat = 3.2 bar Psat = 4.8 bar 1 6.6 mn 7.3 mn 8.3 mn 9 mn 62.1 I/m n 56.2 I/m n 49.4 I/m n 45.6 I/m n 2 4 mn 4.8 mn 6.2 mn 7.3 mn 102.5 I/m n 85.4 I/m n 66.1 I/m n 56.2 I/m n 3 3 mn 3.7 mn 5.2 mn 6.4 mn 136.7 I/m n 110.8 I/m n 78.8 I/m n 64.1 I/m n Tableau 1 10 On peut déduire de ce tableau les enseignements suivants : - les colonnes 3 et 4 (-181°C, -177°C) démontrent effectivement une dégradation du débit (exemples comparatifs) ; - les essais de la colonne 1 sont conformes à l'invention, mais l'on peut 15 avancer qu'ils représentent une mise en oeuvre certes possible mais plus couteuse ; - les essais de la colonne 2 (-187 °C, delta de pression de 2 ou 3 bar) représentent un très bon compromis, de performances, et de coût de mise en oeuvre pour l'application et l'installation alimentée ici. Revendications1. Procédé de remplissaqe en liquide cryoqénique d'au moins un réservoir aval, à partir d'un stockage amont, stockage amont qui contient, sous une pression de stockage supérieure à la pression atmosphérique, le fluide cryogénique en phase liquide au fond du stockage et en phase gazeuse au sommet du stockage, ledit stockage amont étant adapté pour alimenter le réservoir aval en liquide soutiré à partir du fond du stockage, ainsi que pour être approvisionné depuis l'extérieur en fluide, se caractérisant en ce que l'on met en place et l'on maintient une différence de pression entre le stockage amont et le réservoir aval, en établissant au niveau de la phase gaz du stockage amont une pression supérieure à la pression d'équilibre du stockage. 2. Procédé de remplissage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on maintient la pression de la phase gaz du stockage amont en agissant sur la pression d'alimentation en liquide cryogénique du stockage amont en pied de cuve et sur la température du liquide cryogénique stocké. 3. Procédé de remplissage selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on dispose d'un dispositif de contrôle, apte à gérer de façon automatisée la pression d'alimentation en liquide cryogénique du stockage amont en pied de cuve et la température du liquide cryogénique stocké, en réponse à une mesure de la pression de la phase gaz du stockage amont et de la position de cette mesure par rapport à la pression d'équilibre du stockage. 4. Installation de remplissaqe en liquide cryoqénique d'au moins un réservoir aval, à partir d'un stockage amont, stockage amont qui contient, sous une pression de stockage supérieure à la pression atmosphérique, le fluide cryogénique en phase liquide au fond du stockage et en phase gazeuse au sommet du stockage, ledit stockage amont étant adapté pour alimenter le réservoir aval en liquide soutiré au fond du stockage, ainsi que pour être approvisionné depuis l'extérieur en fluide, se caractérisant en ce qu'elle 3o comprend un dispositif de contrôle, apte à gérer de façon automatisée la pression d'alimentation en liquide cryogénique du stockage amont en pied de cuve et la température du liquide cryogénique stocké, en réponse à unemesure de la pression de la phase gaz du stockage amont et de la position de cette mesure par rapport à la pression d'équilibre du stockage, afin de maintenir au niveau de la phase gaz du stockage amont une pression supérieure à la pression d'équilibre du stockage. --------------------