Brevet FR3134878A1 — publié le 20231027

TITRE : BOITE FROIDE POUR HYDROGENE LIQUIDE Boite froide (1) destinée au refroidissement et à la liquéfaction d’hydrogène comprenant une structure autoportante formant une enceinte (2) verticale dans laquelle on trouve un échangeur/réacteur (3) et des équipements (4) fluidiques, l’enceinte verticale étant formée de deux modules (5, 6) superposés cylindriques, un module (5) inférieur surmonté d’un module (6) supérieur, les équipements (4) fluidiques étant regroupés dans le module inférieur dans lequel ils sont accessibles à hauteur d’homme. Figure pour l’abrégé : Figure 4 BOITE FROIDE POUR HYDROGENE LIQUIDE Désignation du domaine technique concerné La présente invention est relative au domaine technique des boites froides. Une boite froide est une structure autoportante protégeant des équipements cryogéniques tel que des échangeurs de chaleur, des réacteurs, de la tuyauterie ou encore des équipements fluidiques. L’invention concerne plus précisément des boites froides destinées au refroidissement et à la liquéfaction d’hydrogène pour des températures de 80 °K à 20 °K. Problèmes techniques auxquels répond l’invention Selon l’état de la technique, les boites froides destinées au refroidissement et à la liquéfaction d’hydrogène comprennent typiquement : . au moins un échangeur pour le refroidissement de l’hydrogène, . au moins un réacteur dans lequel est réalisé une réaction physico-chimique de conversion ortho-para de l’hydrogène, . des équipements fluidiques tels que des organes de contrôle et de régulation, notamment des turbines (turbodétendeurs), des vannes ou des capteurs, ainsi qu’un ensemble de tuyauteries de liaison. Elles prennent la forme d’un cylindre vertical ou horizontal, d’un diamètre constant et d’une hauteur ou longueur importante, par exemple d’une hauteur de 12 mètres et d’un diamètre de 4 mètres. Le volume intérieur de la boite froide est maintenu à une pression absolue nulle (sous vide) pour assurer une isolation thermique des équipements se trouvant à l’intérieur. En effet, le vide permet de limiter l’apport de calories par les parois extérieures de la boite froide en supprimant l’échange par convection entre les parois extérieures et les équipements se trouvant dans la boite froide. Pour renforcer l’isolation, les composants internes de la boite froide (échangeur, réacteur, tuyauteries, vannes, etc.) sont recouverts d’un isolant thermique spécifique limitant notamment l’échange par rayonnement entre les composants, et entre ceux-ci et les parois extérieures de la boite froide. De plus, les échanges par conduction sont également limités par exemple par l’utilisation de matériaux peu conducteurs ou en allongeant les chemins de conduction. L’échangeur, le réacteur et la tuyauterie sont répartis dans l’ensemble de la boite froide, tout comme l’instrumentation dont une partie est disposée en partie supérieure de la boite froide. Cette disposition des équipements présente des inconvénients, notamment : . des problèmes d’accessibilité aux équipements non statiques disposés en partie haute de la boite froide, . un coût élevé et un temps de fabrication long de la boite froide dus à une conception relativement complexe et une sous-traitance peu développée, . un coût de transport élevé et des difficultés de livraison de la boite froide sur le site où elle sera en exploitation en raison de ses dimensions importantes et de son poids élevé. L’invention apporte une solution nouvelle à ces problèmes permettant de : . réduire la complexité de la boite froide, . faciliter l’accès aux équipements non-statiques, . optimiser le schéma industriel pour fabriquer la boite froide. Selon un premier aspect de l’invention, il est proposé une boite froide destinée au refroidissement et à la liquéfaction d’hydrogène comprenant une structure autoportante formant une enceinte verticale dans laquelle on trouve un échangeur/réacteur et des équipements fluidiques, notamment des équipements fluidiques non statiques et de l’instrumentation, l’enceinte verticale étant formée de deux modules superposés cylindriques, un module inférieur surmonté d’un module supérieur, les équipements fluidiques non statiques étant regroupés dans le module inférieur dans lequel ils sont accessibles à hauteur d’homme. Avantageusement, le module inférieur comprend : . les équipements fluidiques non-statique (vannes, turbine, etc.), . les équipements fluidiques statiques, notamment l’instrumentation, . différentes tuyauteries (process et instrumentation) en acier inoxydable, . une structure porteuse en acier. Et le module supérieur comprend : . un échangeur/réacteur, à la place d’un échangeur et d’un réacteur distincts, permettant une conception plus simple de la boite froide, . des tuyauteries en aluminium connectant l’échangeur/réacteur et les tuyauteries en acier inoxydable du module inférieur, . des jonctions bimétalliques, faisant l’interface mécanique entre les tuyauteries en aluminium et des tuyauteries en inox. Disposer les équipements fluidiques non statiques et statiques dans le module inférieur de la boite permet un accès facilité aux opérateurs à ces équipements lors des opérations de montage, de mise en route et de maintenance de la boite froide. Avantageusement selon l’invention, l’échangeur/réacteur comprend un empilement de plaques et ondes en aluminium brasées. Les équipements contenus dans la boite froides selon l’invention forment des modules préassemblés. Les modules sont définis de sorte qu’ils soient facilement interchangeables et que les raccordements entre modules soient facilités. Cette conception modulaire permet de sélectionner les modules adaptés selon les caractéristiques souhaitées de la boite froide parmi une pluralité de modules, réduisant les heures d’études nécessaires pour concevoir une nouvelle boite froide adaptée à un autre cahier des charges. Elle facilite également le transport et la manutention en sous-ensemble et réduit le temps d’assemblage de la boite froide. Selon l’invention, l’échangeur de chaleur est également un réacteur pour une réaction physico-chimique de conversion ortho-para de l’hydrogène. Pour cela, des surfaces internes de l’échangeur sont revêtues d’un catalyseur à cette réaction ou des parties internes de l’échangeur sont remplies d’un catalyseur à cette réaction, par exemple sous la forme d’une poudre. Ce catalyseur est un oxyde, un hydroxyde, un mélange d’oxydes ou d’hydroxydes, ou un mélange d’oxydes et d’hydroxydes. Avantageusement, l’oxyde est du Fe 2 O 3 ou l’hydroxyde est du Fe(OH) 3 . Cette solution ne nécessite ainsi qu’un seul équipement cumulant les deux fonctions d’échangeur et de réacteur au lieu de deux équipements distincts selon l’état de la technique. Il en résulte une solution plus compacte permettant de réduire les dimensions de la boite froide. Selon l’invention, l’enceinte verticale est apte à être mise sous vide. La mise sous vide de l’enceinte permet de limiter le transfert de calories entre l’enveloppe intérieure de l’enceinte et les équipements qui se trouvent à l’intérieur de celle-ci. L’enceinte est de plus calorifugée pour augmenter l’efficacité de l’isolation thermique de la boite froide. Avantageusement selon l’invention, le module supérieur de l’enceinte verticale est plus long et de plus petit diamètre extérieur que le module inférieur. Il est avantageux de réduire le diamètre de l’enceinte verticale pour limiter la surface d’échange de celle-ci avec l’environnement extérieur et ainsi limiter l’apport de chaleur vers l’intérieur de l’enceinte. Limiter le diamètre permet également de réduire le coût de fabrication de l’enceinte et en facilite la manutention et le transport sur site. En regroupant les équipements fluidiques dans le module inférieur et en ayant un seul échangeur/réacteur combinant les fonctions d’échangeur thermique et de réacteur, on libère de la place dans le module supérieur. Il est ainsi possible de réduire son diamètre. Avantageusement selon l’invention, les tuyauteries de liaison entre l’échangeur/réacteur et les équipements fluidiques ont une partie disposée côté échangeur/réacteur en aluminium et une partie disposée côté équipements fluidiques en acier inoxydables, les deux parties étant reliées par des jonctions bimétalliques formant interfaces. Les parties en aluminium sont disposées dans le module supérieur et les parties en acier inoxydable sont disposées dans le module inférieur de la boite froide. Les jonctions bimétalliques sont disposées au voisinage d’un plan P de jonction entre les deux modules de la boite froide où elles sont accessibles à hauteur d’homme. L’échangeur/réacteur comprend des têtes de distribution au niveau des entrées et des sorties des fluides. Ces têtes de distribution ont d’un côté une section rectangulaire, côté échangeur/réacteur, pour distribuer le fluide sur une largeur de l’échangeur/réacteur, et une section tubulaire de l’autre côté pour le raccordement à une tuyauterie de liaison. La tête de distribution est soudée sur l’échangeur/réacteur et sur la tuyauterie de liaison. Avec un échangeur/réacteur en aluminium, il est nécessaire que la tête de liaison et la tuyauterie de raccordement à celle-ci soient également en aluminium pour obtenir une soudure de qualité. En dehors de la zone de raccordement à une tête de distribution où elles doivent être en aluminium, les tuyauteries de liaison sont en acier inoxydable pour une plus grande tenue mécanique et car la majorité des équipements fluidiques présents sur ces tuyauteries sont en en acier inoxydable. La jonction entre la partie en aluminium et celle en acier inoxydable d’une tuyauterie de liaison est réalisée par une jonction bimétallique, par exemple avec un assemblage par frettage ou par explosion. Selon l’invention, la partie en aluminium des tuyauteries de liaison est prolongée sur une longueur complémentaire de sorte que, une fois l’échangeur/réacteur en position verticale sur la structure porteuse de la boite froide, les jonctions entre la partie en aluminium et celle en acier inoxydable des tuyauteries de liaison sont à hauteur d’homme. La mise en place des jonctions bimétalliques est ainsi facilitée. Selon l’invention, les deux modules inférieur et supérieur sont reliés au niveau de leur plan de jonction P par un moyen de liaison. Il est ainsi possible de fabriquer en parallèle les deux modules réduisant ainsi le temps de production de la boite froide. De plus, il est possible de transporter les deux modules séparément vers le site industriel où la boite froide sera exploitée et de ne réaliser l’assemblage que sur site. Le transport peut ainsi être moins coûteux et plus simple d’organisation, car cela supprime tout ou partie des contraintes qui sont liées à un transport exceptionnel, lequel est nécessaire pour une boite froide en un seul bloc selon l’état de la technique. Avantageusement selon l’invention, les deux modules inférieur et supérieur sont reliés au niveau de leur plan de jonction P par un moyen de liaison amovible. Avec une liaison amovible entre les deux modules, il est facile de retirer ultérieurement le module supérieur pour intervenir dans la boite froide en cas de besoin, par exemple pour remplacer l’échangeur/réacteur. Selon un second aspect de l’invention, il est proposé un procédé d’assemblage d’une boite froide telle que décrite précédemment, caractérisé en ce que le module supérieur est positionné et fixé sur le module inférieur après la mise en place de l’échangeur/réacteur et après avoir effectué les jonctions entre les parties en aluminium et les parties en acier inoxydable des tuyauteries de liaisons. L’invention permet ainsi de procéder à la mise en place de l’échangeur/réacteur sur la structure porteuse du module inférieur destinée à le recevoir, puis d’effectuer les jonctions des tuyauteries de liaison avant de refermer la boite froide par la mise en place du module supérieur. En procédant ainsi, les opérations de montage et de réglages des équipements sont facilitées et cela d’autant plus qu’elles sont réalisées par les opérateurs à hauteur d’homme, ce qui accroit également la sécurité des opérateurs lors de l’assemblage de la boite froide. Brève description des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : est une vue schématique d’une boite froide selon un exemple de réalisation de l’invention ; est, sur sa partie gauche, une vue schématique d’un module inférieur de boite froide selon l’exemple de réalisation de l’invention de la , en cours de montage, et sur sa partie droite, une vue schématique de l’échangeur/réacteur destiné à équiper la boite froide ; est, sur sa partie gauche, une vue schématique d’un module inférieur de boite froide selon l’exemple de réalisation de l’invention de la , en fin de montage, et sur sa partie droite, une vue schématique d’un module supérieur de boite froide selon l’exemple de réalisation de l’invention de la , et ; est une vue schématique d’une boite froide selon l’exemple de réalisation de l’invention de la , après la mise en place du module supérieur sur le module inférieur. La boite froide 1 selon l’invention représentée en comprend une enceinte 2 cylindrique verticale autoportante composée d’un module inférieur 5 surmonté, au niveau du plan P, par un module supérieur 6. Un opérateur 14 placé à côté de la boite froide permet de visualiser la taille de l’équipement. Le module inférieur a un diamètre plus important, mais une hauteur plus limitée que le module supérieur. La hauteur du module inférieur est limitée pour que les opérateurs puissent avoir accès à celui-ci à hauteur d’homme, sans qu’ils aient à travailler en hauteur. On limite ainsi le risque d’accident par chute et on évite la perte de temps et les dépenses supplémentaires qui résulteraient de l’usage de moyens pour le travail en hauteur. Son diamètre est fonction des équipements fluidiques qu’il doit contenir. Par exemple, le module inférieur a un diamètre de 4 mètres et une hauteur de 1,5 mètre et le module supérieur a un diamètre de 2 mètres et une hauteur de 9,5 mètres. En partie gauche de la , on peut voir représenté le module 5 inférieur de la boite froide de la en cours de montage. Au stade d’avancement du montage représenté sur cette figure, une structure porteuse 10 est en place. Cette structure est notamment destinée à recevoir l’échangeur/réacteur selon l’invention. Des portions 72 en acier inoxydable de tuyauteries de liaison 7 sont également en place dans le module 5 inférieur, et à l’extérieur de la boîte froide. Sur ces portions 72 de tuyauteries, des équipements fluidiques 4 sont en place, par exemple des équipements non statiques comme une vanne 11 de régulation et des équipements statiques comme un pressostat 9 et un capteur 12. On peut voir sur la que le pressostat 9 est déporté à l’extérieur de l’enceinte 2 afin qu’il soit accessible facilement aux opérateurs lors de l’exploitation de la boite froide. Il en est de même pour l’actionneur 13 de pilotage de la vanne 11 de régulation. A l’inverse, le capteur 12 est placé à l’intérieur de l’enceinte. Le choix de déporter ou non un équipement à l’extérieur de l’enceinte est fonction de sa nature et de son usage. La turbine peut être disposée à l’intérieur de l’enceinte ou à l’extérieur de celle-ci selon notamment ses dimensions. En partie droite de la , on peut voir représenté l’échangeur/réacteur 3 posé à côté du module inférieur, en attente de sa mise en place sur la structure porteuse. L’échangeur/réacteur comprend des portions 71 de tuyauteries de liaison en aluminium, soudées à leurs extrémités supérieures à des têtes 15 de distribution. Les portions 71 de tuyauteries de liaison en aluminium se prolongent vers le bas de l’échangeur de sorte que leurs extrémités inférieures puissent venir se raccorder aux portions 72 de tuyauteries de liaison en acier inoxydable au voisinage du plan P de la boite froide. En partie gauche de la , on peut voir représenté le module 5 inférieur de la boite froide de la en fin de montage. L’échangeur/réacteur 3 est en place sur la structure porteuse 10 et les portions 71 en aluminium des tuyauteries de liaison 7 sont raccordées aux portions 72 en acier inoxydable au moyen de jonctions bimétalliques 8. Ces jonctions bimétalliques sont disposées à hauteur d’homme pour faciliter leur mise en place par les opérateurs. A droite de la , on peut voir représenté le module 6 supérieur posé à côté du module 5 inférieur. La mise en place du module supérieur sur le module inférieur n’est réalisée qu’après la mise en place de l’ensemble des équipements devant se trouver à l’intérieur de la boite froide. En , on peut voir représentée la boite froide à la fin de son montage, le module 6 supérieur ayant été placé sur le module 5 inférieur. Boite froide (1) destinée au refroidissement et à la liquéfaction d’hydrogène comprenant une structure autoportante formant une enceinte (2) verticale dans laquelle on trouve un échangeur/réacteur (3) et des équipements (4) fluidiques, notamment des équipements fluidiques non statiques et de l’instrumentation, l’enceinte verticale étant formée de deux modules (5, 6) superposés cylindriques, un module (5) inférieur surmonté d’un module (6) supérieur, les équipements (4) fluidiques non statiques étant regroupés dans le module inférieur dans lequel ils sont accessible à hauteur d’homme. Boite froide selon la revendication 1, caractérisée en ce que l’enceinte (2) verticale est apte à être mise sous vide. Boite froide selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le module (6) supérieur est plus long et de plus petit diamètre extérieur que le module (5) inférieur. Boite froide selon l’une des revendications précédentes, comprenant des tuyauteries (7) de liaison entre l’échangeur/réacteur (3) et des équipements (4) fluidiques, caractérisé en ce que ces tuyauteries (7) de liaison ont une partie (71) disposée côté échangeur/réacteur en aluminium et une partie (72) disposée côté équipements fluidiques en acier inoxydable, les deux parties étant raccordées par des jonctions bimétalliques (8) formant interfaces, les parties (71) en aluminium étant disposées dans le module (6) supérieur et les parties (72) en acier inoxydable étant disposées dans le module (5) inférieur et à l’extérieur de la boite froide, les jonctions bimétalliques (8) étant disposées au voisinage d’un plan (P) de jonction entre les deux modules (5, 6) de la boite froide. Boite froide selon la revendication 4, caractérisée en ce que les deux modules inférieur (5) et supérieur (6) sont reliés au niveau de leur plan (P) de jonction par un moyen de liaison amovible. Boite froide selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’échangeur/réacteur (3) cumule une fonction d’échangeur de chaleur pour refroidir l’hydrogène liquide et une fonction de réacteur pour une réaction physico-chimique de conversion ortho-para de l’hydrogène. Procédé d’assemblage d’une boite froide (1) selon la revendication 4 ou 5, ou la revendication 6 lorsque dépendante de la revendication 4, caractérisé en ce que le module (6) supérieur est positionné et fixé sur le module (5) inférieur après la mise en place de l’échangeur/réacteur et après avoir effectué les jonctions entre les parties en aluminium et les parties en acier inoxydable des tuyauteries de liaisons (7, 71,72).