Brevet FR3113116A1 — publié le 20220204

Installation de réfrigération d’un fluide jusqu’à une température cryogénique comprenant un circuit (2) de fluide à refroidir comprenant une extrémité amont reliée à une source (21) et une extrémité aval reliée à un organe (22) de collecte du fluide refroidi et/ou liquéfié, l’installation (1) comprenant au moins un échangeur (3) de pré-refroidissement du fluide sortant de l’extrémité amont (21), ledit échangeur (3) de pré-refroidissement étant en échange thermique avec un circuit (9) de pré-refroidissement composé d’un flux de gaz de vaporisation d’un utilisateur (10), l’installation (1) comprenant en outre un ensemble d’échangeur(s) (4, 5) de chaleur de refroidissement en échange thermique avec le circuit (2) de fluide à refroidir en aval de l’échangeur (3) de pré-refroidissement, l’installation (1) comprenant un dispositif (6, 11) de refroidissement en échange thermique avec au moins une partie de l’ensemble d’échangeur(s) (4, 5) de chaleur de refroidissement, ledit dispositif (9, 11) de refroidissement comprenant un premier réfrigérateur (6) à cycle de réfrigération d’un gaz de cycle dans un circuit de travail, le gaz de cycle comprenant de préférence de l’hydrogène et/ou de l’hélium, le circuit de travail du premier réfrigérateur (6) comprenant un organe (7) de compression du gaz de cycle, un organe (5) de refroidissement du gaz de cycle, un organe (8) de détente du gaz de cycle et un organe (5) de réchauffage du gaz de cycle, l’échangeur (3) de pré-refroidissement étant composé de l’un au moins des matériaux suivants : inox ou nuances d’inox, inconel, nickel, titane ou matière plastique compatible avec l’usage aux températures cryogéniques Figure de l’abrégé : Fig. 1 Installation et procédé de réfrigération d’un fluide L’invention concerne une installation et un procédé de réfrigération d’un fluide. L’invention concerne plus particulièrement une installation de réfrigération d’une fluide jusqu’à une température cryogénique, et notamment pour la liquéfaction de l’hydrogène, comprenant un circuit de fluide à refroidir comprenant une extrémité amont reliée à une source et une extrémité aval reliée à un organe de collecte du fluide refroidi et/ou liquéfié, l’installation comprenant au moins un échangeur de pré-refroidissement du fluide sortant de l’extrémité amont, ledit échangeur de pré-refroidissement étant en échange thermique avec un circuit de pré-refroidissement composé d’un flux de gaz de vaporisation d’un utilisateur, l’installation comprenant en outre un ensemble d’échangeur(s) de chaleur de refroidissement en échange thermique avec le circuit de fluide à refroidir en aval de l’échangeur de pré-refroidissement, l’installation comprenant au moins un dispositif de refroidissement en échange thermique avec au moins une partie de l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur de refroidissement, ledit dispositif de refroidissement comprenant un premier réfrigérateur à cycle de réfrigération d’un gaz de cycle dans un circuit de travail, le gaz de cycle comprenant de préférence de l’hydrogène et/ou de l’hélium, le circuit de travail du premier réfrigérateur comprenant un organe de compression du gaz de cycle, un organe de refroidissement du gaz de cycle, un organe de détente du gaz de cycle et un organe de réchauffage du gaz de cycle. Les installations de liquéfaction de gaz sont conçues pour livrer le gaz liquéfié à saturation (Tout = Tsat (Pout)). Ainsi, une certaine quantité de gaz issu de la vaporisation du liquide (« boil-off ») pour être généré. Pour limiter cela, le gaz produit peut être sous-refroidi lors de sa production par le liquéfacteur. Ceci ne règle pas ou partiellement la gestion d’un retour de gaz de vaporisation (généré par exemple dans les réservoirs vides lors de leur remplissage, typiquement des réservoirs mobiles…). L’intégration thermique de gaz froid issu de dépressurisations, des effets dit de “piston” ou autre vaporisation de liquide, préférentiellement de l’hydrogène liquide, est complexe à intégrer dans une installation de production de gaz liquéfié. La récupération des frigories de ces gaz de vaporisation est connue, cf. par exemple US2009158774A. Les solutions ne sont pas satisfaisantes car ces retours de gaz de vaporisation sont fluctuants dans le temps et en conditions thermodynamiques de retour (température/pression/quantité de mole variables…). De ce fait, les installations connues ne sont pas adaptées à ces fluctuations du fait des gradients thermiques. Une solution connue consiste à renvoyer ce gaz de vaporisation via un organe de distribution à différents niveaux thermiques dans l’installation. La production de l’installation peut cependant être perturbée à cause de ces retours variables du fait de l’incorrecte mesure de température ou du piégeage d’impuretés localement dans les blocs d’échange ces pollutions pouvant être charriées par ces gaz de retour. Une autre solution consiste à assurer une re-condensation locale de ce gaz de vaporisation. Cependant, ceci nécessite une source de froid supplémentaire ou nécessite de sur-dimensionner l’unité de production pour ses besoins erratiques créant des instabilités potentielles et des surcoûts significatifs. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, l’installation selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que l’échangeur de pré-refroidissement est composé de l’un au moins des matériaux suivants : inox ou nuances d’inox, inconel, nickel, titane ou matière plastique compatible avec l’usage aux températures cryogéniques. Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : l’échangeur de pré-refroidissement est du type à plaque(s), à tubes ou à tubes à calandre, l’échangeur de pré-refroidissement est également en échange thermique avec un circuit de réfrigérant, par exemple de l’azote liquéfié. L’invention concerne également un procédé de réfrigération d’un fluide jusqu’à une température cryogénique utilisant un dispositif de réfrigération conforme à l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous, dans lequel le fluide à refroidir est mis en circulation dans le circuit de fluide à refroidir, et, préalablement à son refroidissement par un premier réfrigérateur dans l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur de refroidissement, le fluide est pré-refroidi dans l’échangeur de pré-refroidissement par échange thermique avec un flux de gaz de vaporisation du circuit de pré-refroidissement. Selon d’autres particularités possibles : le flux de gaz de vaporisation du circuit de pré-refroidissement est mis en circulation de façon intermittente dans le circuit de pré-refroidissement, c’est-à-dire que l’échangeur de pré-refroidissement n’est pas constamment refroidi par le flux de gaz de vaporisation, l’échangeur de pré-refroidissement subit des écarts de températures moyenne compris entre 50 et 100K entre d’une part la situation où un flux de gaz de vaporisation est mis en circulation dans le circuit de pré-refroidissement et, d’autre part, la situation où un flux de gaz de vaporisation n’est pas mis en circulation dans le circuit de pré-refroidissement, l’échangeur de pré-refroidissement est également en échange thermique avec un circuit de réfrigérant, par exemple de l’azote liquéfié, le réfrigérant étant mis en circulation dans ledit circuit pour refroidir l’échangeur de pré-refroidissement lorsque l’échangeur de pré-refroidissement n’est pas refroidi par le flux de gaz de vaporisation à un niveau de refroidissement déterminé. L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications. D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : représente une vue schématique et partielle illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d’un exemple de réalisation d’une installation de réfrigération selon l’invention. L’installation 1 de réfrigération illustrée est prévue par exemple pour la liquéfaction d’un gaz, par exemple l’hydrogène. L’installation 1 comprend un circuit 2 de fluide à refroidir comprenant une extrémité amont reliée à une source 21 de gaz. La source 21 comprend par exemple un réseau d’hydrogène, un électrolyseur, un système de vapo-reformage du méthane (SMR) ou tout autre source de production de gaz (hydrogène en particulier) qui sera liquéfié ou refroidi à une température proche de sa température de liquéfaction normale au cœur de l’installation 1. Le circuit 2 comprend une extrémité aval reliée à un organe 22 de collecte du fluide refroidi et/ou liquéfié, par exemple un stockage de gaz liquéfié. L’installation 1 comprend un échangeur 3 de pré-refroidissement du fluide sortant de l’extrémité amont 21. Cet échangeur 3 de pré-refroidissement réalise un échange thermique avec un circuit 9 de pré-refroidissement dans lequel peut circuler un flux de gaz de vaporisation d’un utilisateur 10. Par exemple, le gaz de vaporisation est de l’hydrogène qui provient d’un réservoir 10 à remplir, d’un stockage fixe ou mobile ou tout autre partie de l’installation ou d’un élément externe à l’installation 1. L’installation 1 comprend en outre un ensemble d’échangeur(s) 4, 5 de chaleur de refroidissement en échange thermique avec le circuit 2 de fluide à refroidir disposés en série en aval de l’échangeur 3 de pré-refroidissement. Les échangeurs distincts 4, 5 illustrés peuvent être confondus à toute fin utile en un seul échangeur. L’installation 1 comprend un dispositif 6, 11 de refroidissement en échange thermique avec au moins une partie de l’ensemble d’échangeur(s) 4, 5 de chaleur de refroidissement. Le dispositif de refroidissement comprend un premier réfrigérateur 6 à cycle de réfrigération d’un gaz de cycle dans un circuit de travail, le gaz de cycle comprenant de préférence de l’hydrogène et/ou de l’hélium. Le circuit de travail du premier réfrigérateur 6 comprend un organe 7 de compression du gaz de cycle (par exemple un ou plusieurs compresseurs), un organe 5 de refroidissement du gaz de cycle (par exemple un ou plusieurs échangeurs de chaleur), un organe 8 de détente du gaz de cycle (par exemple une ou plusieurs turbines et/ou vannes) et un organe 5 de réchauffage du gaz de cycle (par exemple un ou plusieurs échangeurs de chaleur). L’échangeur 3 de pré-refroidissement est composé de l’un au moins des matériaux suivants : inox ou nuances d’inox, inconel, nickel, titane ou matière plastique compatible avec l’usage aux températures cryogénique (par exemple inférieures à moins 150°C). Ainsi, les retours de gaz vaporisé froid de l’installation 1 sont réalisés au sein d’au moins un échangeur 3 de pré-refroidissement préférentiellement en inox ou tout autre matériau présentant des caractéristiques mécaniques performantes permettant de subir des gradients thermiques largement supérieurs à ceux habituellement gérés dans les installations connues. Cette architecture permet de résister à des bouffées de froid variables en quantité et dans le temps. Dans le cas de l’hydrogène le matériau sera compatible aux températures de fonctionnement inférieures à -196°C. Ceci permet ainsi de profiter des frigories disponibles à partir des retours de gaz froid en pré-refroidissement du débit de gaz à refroidir. Lorsqu’il n’y a pas de retour de gaz froid, l’échangeur 3 de pré-refroidissement peut rester en froid grâce à une isolation thermique si besoin et, lorsqu’un débit de gaz de vaporisation arrive, ses frigories peuvent être récupérées. Si aucun retour froid n’est disponible ou n’est pas disponible au niveau de débit de design escompté, le besoin de pré-refroidissement peut être temporairement satisfait par l’utilisation de l’azote liquide ou d’un autre gaz ou liquide de refroidissement disponible sur site. L’échangeur 3 doit dans ce cas être dimensionné avec trois passages et préférentiellement profiter d’une utilité existante. Le grand écart de température au sein de l’échangeur 3 permet d’avoir un bloc d’échange très compact (écarts moyen logarithmique de température de l’ordre de 50 à 100K par exemple). Au vu des ratios entre le gaz chaud à refroidir et les gaz de vaporisation froids, il est possible de réaliser un pré-refroidissement jusqu’à un niveau d’environ -40°C via un simple échangeur 3 de chaleur de pré-refroidissement. Ceci ne nécessite ni apport de puissance électrique ni contrôle spécifique complexe et à coûts d’installation très faibles. Dans l’exemple représenté, un seul échangeur de chaleur de refroidissement est prévu. Bien entendu, plusieurs échangeurs 3 de pré-refroidissement peuvent être prévus. Par exemple, il peut être prévu deux échangeurs 3 de chaleur de pré-refroidissement distincts. Un premier échangeur 3 de chaleur de pré-refroidissement reçoit par exemple un gaz de vaporisation (par exemple retour d’un camion de stockage de gaz liquéfié) à une température typiquement de l’ordre de 30K jusqu’à 80K ou 100K par exemple, pour pré-refroidir le flux d’hydrogène dans le cycle et un second échangeur 3 de chaleur de pré-refroidissement plus en amont pour pré-refroidir le flux de gaz à refroidir provenant de la source 21 grâce aux frigories restantes (par exemple entre 80K et 300K). Le fait de réchauffer le débit de gaz de vaporisation retour, s’il est pollué par une quelconque impureté, permet de s’affranchir d’un problème classique opératoire lié à la technologie de re-condensation (dans ce cas précis, on risque de solidifier des impuretés et de les stocker dans les échangeurs froids du procédé, jusqu’à potentiellement un bouchage ou dans certains cas, la génération d’une atmosphère explosive). Comme illustré en pointillés, l’échangeur 3 de chaleur de pré-refroidissement peut le cas échéant être également en échange thermique avec un circuit 12 de réfrigérant, par exemple de l’azote liquéfié (ou toute autre source froide). Ce circuit 12 de réfrigérant permet le cas échéant de conserver l’échangeur 3 de pré-refroidissement froid lorsque le débit de gaz de vaporisation est insuffisant ou nul. Ainsi ce circuit 12 de réfrigérant peut être utilisé seul pour refroidir l’échangeur 3 de chaleur de pré-refroidissement ou en plus du circuit 9 dans lequel peut transiter le flux de gaz de vaporisation. Comme illustré également, le dispositif de refroidissement peut comprendre un autre organe 11 de refroidissement en échange thermique avec une partie de l’ensemble d’échangeur(s) 4 de chaleur, notamment entre l’échangeur de pré-refroidissement et le refroidissement réalisé par le premier réfrigérateur 6. Cet organe 11 de refroidissement supplémentaire peut être un second réfrigérateur assurant un refroidissement intermédiaire entre l’échangeur 3 de pré-refroidissement et le premier réfrigérateur 6. Ce second réfrigérateur 11 peut utiliser par exemple un autre fluide par exemple de l’azote. Par exemple, ce second réfrigérateur 11 permet de pré-refroidir le fluide à une température comprise entre 70 et 100K. Après ce refroidissement, le premier réfrigérateur 6 assure un refroidissement supplémentaire du circuit 2 jusqu’à la température cible (température de liquéfaction de l’hydrogène par exemple). La structure et le procédé permettent de récupérer facilement, sans contrainte et de façon peu coûteuse des frigories de gaz de vaporisation générées de façon intermittente. La solution s’applique avantageusement à la liquéfaction de l’hydrogène mais peut s’appliquer également à la liquéfaction d’hélium, méthane, azote, oxygène ou tout autre fluide. Installation de réfrigération d’un fluide jusqu’à une température cryogénique, et notamment pour la liquéfaction de l’hydrogène, comprenant un circuit (2) de fluide à refroidir comprenant une extrémité amont reliée à une source (21) et une extrémité aval reliée à un organe (22) de collecte du fluide refroidi et/ou liquéfié, l’installation (1) comprenant au moins un échangeur (3) de pré-refroidissement du fluide sortant de l’extrémité amont (21), ledit échangeur (3) de pré-refroidissement étant en échange thermique avec un circuit (9) de pré-refroidissement composé d’un flux de gaz de vaporisation d’un utilisateur (10), l’installation (1) comprenant en outre un ensemble d’échangeur(s) (4, 5) de chaleur de refroidissement en échange thermique avec le circuit (2) de fluide à refroidir en aval de l’échangeur (3) de pré-refroidissement, l’installation (1) comprenant un dispositif (6, 11) de refroidissement en échange thermique avec au moins une partie de l’ensemble d’échangeur(s) (4, 5) de chaleur de refroidissement, ledit dispositif (9, 11) de refroidissement comprenant un premier réfrigérateur (6) à cycle de réfrigération d’un gaz de cycle dans un circuit de travail, le gaz de cycle comprenant de préférence de l’hydrogène et/ou de l’hélium, le circuit de travail du premier réfrigérateur (6) comprenant un organe (7) de compression du gaz de cycle, un organe (5) de refroidissement du gaz de cycle, un organe (8) de détente du gaz de cycle et un organe (5) de réchauffage du gaz de cycle, l’échangeur (3) de pré-refroidissement étant composé de l’un au moins des matériaux suivants : inox ou nuances d’inox, inconel, nickel, titane ou matière plastique compatible avec l’usage aux températures cryogéniques. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l’échangeur (3) de pré-refroidissement est du type à plaque(s), à tubes ou à tubes à calandre. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l’échangeur (3) de pré-refroidissement est également en échange thermique avec un circuit (12) de réfrigérant, par exemple de l’azote liquéfié. Procédé de réfrigération d’un fluide jusqu’à une température cryogénique utilisant un dispositif de réfrigération conforme à l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le fluide à refroidir est mis en circulation dans le circuit (2) de fluide à refroidir, et, préalablement à son refroidissement par un premier réfrigérateur (6) dans l’ensemble d’échangeur(s) (4, 5) de chaleur de refroidissement, le fluide est pré-refroidi dans l’échangeur (3) de pré-refroidissement par échange thermique avec un flux de gaz de vaporisation du circuit (9) de pré-refroidissement. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le flux de gaz de vaporisation du circuit (9) de pré-refroidissement est mis en circulation de façon intermittente dans le circuit (9) de pré-refroidissement, c’est-à-dire que l’échangeur (3) de pré-refroidissement n’est pas constamment refroidi par le flux de gaz de vaporisation. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l’échangeur (3) de pré-refroidissement subit des écarts de températures moyenne compris entre 50 et 100K entre d’une part la situation où un flux de gaz de vaporisation est mis en circulation dans le circuit (9) de pré-refroidissement et, d’autre part, la situation où un flux de gaz de vaporisation n’est pas mis en circulation dans le circuit (9) de pré-refroidissement. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l’échangeur (3) de pré-refroidissement est également en échange thermique avec un circuit (12) de réfrigérant, par exemple de l’azote liquéfié, le réfrigérant étant mis en circulation dans ledit circuit (12) pour refroidir l’échangeur (3) de pré-refroidissement lorsque l’échangeur (3) de pré-refroidissement n’est pas refroidi par le flux de gaz de vaporisation à un niveau de refroidissement déterminé.