CA3230450A1 - Procede et dispositif de transfert de fluide cryogenique - Google Patents

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Claire GIRARD
Anh Thao THIEU
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

Procédé et installation de transfert de fluide cryogénique utilisant un dispositif de transfert de fluide cryogénique comprenant un premier réservoir (2) de distribution de fluide cryogénique, ledit premier réservoir (2) stockant un fluide cryogénique avec une phase liquide inférieure et une phase gazeuse supérieure, un second réservoir cryogénique (3) de réception abritant un fluide cryogénique comprenant une phase liquide inférieure et une phase gazeuse supérieure, un circuit de transfert de fluide reliant le premier (2) et le second (3) réservoir, le circuit de transfert comprenant une première conduite (4) reliant les parties supérieures des premier (2) et second (3) réservoirs et comprenant au moins un compresseur (5) configuré pour aspirer du gaz à comprimer dans le second réservoir (3) et refouler le gaz comprimé dans le premier (2) réservoir, le circuit de transfert comprenant une seconde (6) conduite reliant la partie inférieure du premier (2) réservoir à la partie supérieure du second (3) réservoir, le procédé comprenant une étape de pressurisation du premier réservoir (2) par le compresseur (5) via la première conduite (4) et une étape de transfert de liquide du premier (2) réservoir vers le second (3) réservoir par différentiel de pression entre les deux réservoirs (2, 3), le liquide étant transféré dans la partie supérieure du second (3) réservoir.

Description

DESCRIPTION
Titre : Procédé et dispositif de transfert de fluide cryogénique.
L'invention concerne un procédé et un dispositif de transfert de fluide cryogénique.
L'invention concerne plus particulièrement un procédé de transfert de fluide cryogénique utilisant un dispositif de transfert de fluide cryogénique comprenant un premier réservoir de distribution de fluide cryogénique, ledit premier réservoir stockant un fluide cryogénique avec une phase liquide inférieure et une phase gazeuse supérieure, un second réservoir cryogénique de réception abritant un fluide cryogénique comprenant une phase liquide inférieure et une phase gazeuse supérieure, un circuit de transfert de fluide reliant le premier et le second réservoir, le circuit de transfert comprenant une première conduite reliant les parties supérieures des premier et second réservoirs et comprenant au moins un compresseur configuré pour aspirer du gaz à comprimer dans le second réservoir et refouler le gaz comprimé dans le premier réservoir.
Pour ravitailler un réservoir cryogénique notamment en hydrogène liquéfié, le liquide cryogénique doit être transféré de la semi-remorque au réservoir client par différence de pression. Le réservoir receveur est généralement à une pression plus élevée que celle du réservoir de livraison.
Pour réaliser ce transfert deux méthodes sont actuellement disponibles.
Une première méthode réalise un transfert actif par pompe de transfert. Le liquide cryogénique de la semi-remorque est pressurisé à l'aide d'une pompe cryogénique à haut débit. Ceci permet de vaincre la différence de pression entre les deux réservoirs pour réaliser le transfert. Du fait des exigences opérationnelles des vitesses de transfert, cette pompe est le plus souvent une pompe de type centrifuge, capable de réaliser les différences de pression entre 1 et 25 bar. Ces pompes centrifuges créent de la pression en fonction de la densité du fluide.
Pour des gaz peu denses comme l'hydrogène liquide ou l'hélium liquide, il est techniquement difficile de fabriquer une pompe de transfert pouvant réaliser le différentiel de pression requis (par exemple entre 1 et 10 bar). De plus, une pompe de transfert impose d'autres inconvénients. En effet, en pompant du liquide, la pompe ajoute de la chaleur au fluide à transférer et risque des endommagements par cavitation au sein du liquide cryogénique. De plus, les semi-remorques doivent toujours être équipés d'un réchauffeur atmosphérique pour vaporiser une partie du liquide et compenser la chute de pression liée au dépotage liquide du camion.
Une autre méthode réalise un transfert par pressurisation. Le transfert est réalisé principalement par pressurisation la semi-remorque à une pression de typiquement de 0.5 à 2 bar au-dessus de
2 la pression du réservoir fixe à remplir par un réchauffeur atmosphérique.
C'est-à-dire que du liquide froid est soutiré du semi-remorque par gravité puis vaporisé dans un échangeur typiquement atmosphérique situé en point bas du réservoir puis naturellement renvoyé dans le réservoir. Il s'ensuit alors une pressurisation du semi-remorque. La vitesse de pressurisation dépend typiquement de la taille de l'échangeur et du diamètre des tuyauteries, et la hauteur manométrique qui réalise la circulation du fluide. La pressurisation du réservoir de livraison permet un transfert de liquide (passif) vers le réservoir à remplir par différentiel de pression en réalisant une liaison fluidique.
Ce type de dispositif est lent, dépendant de la hauteur de liquide disponible dans la semi-remorque et injecte de la chaleur dans le système, en consommant du liquide.
Ceci entraîne donc les pertes de gaz par évaporation dans la boucle logistique du liquide cryogénique.
Le document W02019173445A1 décrit un système de transfert de liquide qui utilise un compresseur entre les parties gazeuses des deux réservoirs.
Ce dispositif nécessite de nombreuses conduites de transfert pour gérer la pression entre les deux réservoirs.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.
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 le circuit de transfert comprenant une seconde conduite reliant la partie inférieure du premier réservoir à la partie supérieure du second réservoir, le procédé comprenant une étape de pressurisation du premier réservoir par le compresseur via la première conduite et une étape de transfert de liquide du premier réservoir vers le second réservoir par différentiel de pression entre les deux réservoirs, le liquide étant transféré dans la partie supérieure du second réservoir.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- la première conduite et la seconde conduite sont reliées à la partie supérieure du second réservoir au niveau d'un même orifice commun, - lors d'au moins une partie de l'étape de pressurisation du premier réservoir, la seconde conduite est fermée,
3 - le l'étape de pressurisation du premier réservoir est configurée pour amener à pression dans le premier réservoir à un niveau de pression excédant la pression dans le second réservoir d'une valeur comprise entre 0,2 et 5 et de préférence comprise entre 0.5 et 2 bar, - l'étape de pressurisation du premier réservoir est réalisée pendant au moins une partie de l'étape de transfert de liquide du premier réservoir vers le second réservoir, l'étape de pressurisation du premier réservoir est précédée d'une étape d'équilibrage de pression entre les deux réservoirs, - l'étape d'équilibrage de pression entre les deux réservoirs est réalisée par équilibrage de pression passif via la première conduite, - l'étape d'équilibrage de pression entre les deux réservoirs est réalisée par équilibrage de pression actif via la première conduite et un pompage par le compresseur, - l'étape étape d'équilibrage de pression entre les deux réservoirs est configurée pour amener le différentiel de pression entre les deux réservoirs à un niveau inférieur à une valeur déterminée, par exemple inférieur à lbar, - l'étape d'équilibrage de pression est précédée d'au moins une parmi : une étape de balayage d'au moins une partie des conduites, une étape de mise en froid d'au moins une partie des conduites, - le procédé comprend une étape de réchauffage du gaz à comprimer avant son admission dans le compresseur lors de l'étape de pressurisation, l'étape de réchauffage comprenant un échange thermique entre le gaz à comprimer et un fluide caloporteur relativement plus chaud.
L'invention concerne également installation de transfert de fluide cryogénique comprenant un premier réservoir de distribution de fluide cryogénique, par exemple mobile, ledit premier réservoir étant configuré pour stocker un fluide cryogénique avec une phase liquide inférieure et une phase gazeuse supérieure, un second réservoir cryogénique de réception configuré pour contenir un fluide cryogénique comprenant une phase liquide inférieure et une phase gazeuse supérieure, un circuit de transfert de fluide configuré pour relier le premier et le second réservoir, le circuit de transfert comprenant une première conduite configurée pour relier les parties supérieures des premier et second réservoirs et comprenant au moins un compresseur configuré pour aspirer du gaz à comprimer dans le second réservoir et refouler le gaz comprimé
dans le premier réservoir, le circuit de transfert comprenant une seconde conduite configurée pour relier la partie inférieure du premier réservoir à la partie supérieure du second réservoir, l'installation comprenant un ensemble de vanne(s) et un organe de commande électronique comprenant un microprocesseur, l'organe de commande étant configuré pour piloter le
4 compresseur et l'ensemble de vanne(s) pour permettre la pressurisation du premier réservoir par le compresseur via la première conduite et transférer du liquide du premier réservoir vers le second réservoir par différentiel de pression entre les deux réservoirs.
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 :
[Fig. 1] représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un exemple de dispositif selon l'invention dans un premier mode de réalisation, [Fig. 2] représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un exemple de dispositif selon l'invention dans un second mode de réalisation, [Fig. 3] représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un exemple de dispositif selon l'invention dans un troisième mode de réalisation, Comme illustré, l'installation de transfert de fluide cryogénique comprend un premier réservoir 2 de distribution de fluide cryogénique, par exemple un réservoir cryogénique isolé sous vide et mobile (par exemple porté par un camion).
Le premier réservoir 2 est configuré pour stocker un fluide cryogénique avec une phase liquide inférieure et une phase gazeuse supétieute. L'installation comprend un second réservoir cryogénique 3 de réception à remplir et configuré pour contenir un fluide cryogénique comprenant une phase liquide inférieure et une phase gazeuse supérieure.
L'installation comprend un circuit de transfert de fluide configuré pour relier le premier 2 et le second 3 réservoir, par exemple de façon détachable au moins au niveau du second réservoir 3 à remplir (par exemple via des raccords de type rapide ou détachables).
Alternativement ou cumulativement le circuit de transfert peut être détachable du premier 2 réservoir et fixe ou détachable sur le second réservoir 3.
Le circuit de transfert comprend une première conduite 4 reliant les parties supérieures des premier 2 et second 3 réservoirs et comprenant au moins un compresseur 5.
Le compresseur 5 est configuré pour aspirer du gaz à comprimer dans le second réservoir 3 et refouler le gaz comprimé dans le premier 2 réservoir.
5 Le circuit de transfert comprend une seconde 6 conduite reliant relier la partie inférieure du premier 2 réservoir à la partie supérieure du second 3 réservoir.
L'installation est configurée pour permettre la pressurisation du premier réservoir 2 par le compresseur 5 via la première conduite 4 et le transfert de liquide du premier 2 réservoir vers le second 3 réservoir par différentiel de pression entre les deux réservoirs 2, 3. Durant ce transfert, le liquide est transféré dans la partie supérieure du second 3 réservoir L'installation peut notamment comprendre un ensemble de vanne(s) 10 et peut comporter un organe 9 de commande électronique comprenant un microprocesseur. L'organe 9 de commande peut comprendre un ordinateur ou un contrôleur électronique et est de préférence configuré
(programmé) pour piloter le compresseur 5 et l'ensemble de vanne(s) 10 pour permettre la pressurisation du premier réservoir 2 par le compresseur (5) via la première conduite 4 et pour assurer également le transfert du liquide du premier 2 réservoir vers le second 3 réservoir par différentiel de pression entre les deux réservoirs 2, 3 (transfert automatique passif de liquide du fait de la différence de pression réalisée par la pressurisation précitée).
Cette structure permet de vaincre la différence de pression entre les réservoirs 2, 3 et permet de transférer le liquide par l'utilisation d'un compresseur 5 cryogénique sur le circuit gazeux au lieu d'une pompe cryogénique sur le circuit liquide. C'est-à-dire que la seconde conduite 6 de transfert de liquide peut ne comporter que des organes passifs (vanne(s) ou autre et n'a pas besoin d'un organe actif de transfert tel qu'une pompe pour réaliser le transfert de liquide.
Pendant le transfert de liquide via la seconde conduite 6, le compresseur 5 fait de préférence circuler du gaz du second réservoir 3 à remplir vers le premier réservoir 2.
De préférence, le compresseur est piloté pour maintenir une pression supérieure dans le premier réservoir 2. Cette différence de pression fait déplacer le liquide dans l'autre sens dans la seconde conduite 6.
Dans le cas de l'hydrogène, le premier réservoir 2 arrive généralement avec une pression typiquement comprise entre 1 et 6 bara. Le livreur raccorde alors fluidiquement les deux réservoirs 2, 3 par deux connexions : une connexion liquide entre le bas du premier réservoir 2 et le haut du second réservoir 3 (second conduite 6) et une connexion gazeuse entre les deux parties supérieures des deux réservoirs 2, 3 (première conduite 4). De préférence ces deux conduites ou leurs extrémités sont fermées (ensemble de vanne(s) 10 par exemple).
Comme illustré à la [Fig.1] les deux conduites 2, 3 peuvent être reliées au second réservoir 3 au niveau d'entrée distinctes ou, comme représenté à la [Fig.2] au niveau d'une entrée unique
6 commune. Cette dernière configuration à une seule ouverture supérieure simplifie la structure du réservoir 3 et peut améliorer ses performances thermiques.
Après les opérations d'inertage des conduite 4, 6 et circuit, de balayage et mise en froid des tuyauteries, la liaison fluidique peut être établie entre les deux réservoirs 2, 3 par exemple via la première conduite 4 (ouverture de vanne(s) par exemple). Ceci permet de réaliser un équilibrage de pression passif entre les deux réservoir 2, 3 via leur ciel gazeux. Par exemple, cet équilibrage de pression peut être réalisé au travers du compresseur 5 (qui n'est pas à ce moment-là en marche), et/ou via une dérivation (bypass) du compresseur 5.
Quand la différence de pression entre des deux réservoirs 2, 3 est réduite à
un niveau déterminé, par exemple près de 0 bar (inférieur à 1 bar par exemple), le compresseur 3 peut être mis en marche pour accélérer l'équilibrage.
Le point d'équilibrage cible est de préférence à une pression intermédiaire entre les deux pressions des deux réservoirs, typiquement entre 2 et 8 bar. Il dépend notamment de la pression initiale dans les deux réservoirs 2, 3 et du niveau liquide dans le premier réservoir 2 ainsi que des volumes des deux réservoirs 2,3.
Le compresseur 5 continue d'augmenter la pression dans le premier réservoir 2 par rapport au second réservoir 3.
Quand la pression du premier réservoir 2 commence à dépasser celle du second réservoir 3 la seconde conduite 6 peut être ouverte (par exemple via une ou plusieurs vannes 10 comme illustré schématiquement à la [Fig. 3]). Le transfert de liquide commence alors.
La vitesse ou puissance du compresseur 3 peut être réglée pour garder la pression dans le premier réservoir 2 à une valeur déterminée constante (par exemple 1 à 2 bar au-dessus de la pression dans le second réservoir 3). Dans ce cas, le compresseur 5 est piloté
pour transférer du second réservoir 3 vers le premier réservoir 2 le même volume de gaz que le volume de liquide qui est transféré dans l'autre sens.
Le remplissage du second réservoir 3 peut être terminé lorsqu'un niveau déterminé est atteint dans le second réservoir 3, par exemple le niveau maximal admissible dans le second réservoir.
Le compresseur 3 est de préférence un compresseur centrifuge, isolé
thermiquement pour limiter les entrées thermiques extérieures. Il peut être installé au niveau du premier réservoir 2 (par exemple sur le véhicule qui le transporte). Bien entendu, le compresseur pourrait être
7 intégré au niveau de l'installation comprenant le second réservoir 3. Le compresseur 3 peut être alimenté par exemple par une cabine électrique ou un groupe hydraulique couplé
au moteur du véhicule transportant le premier réservoir 2. De préférence, le compresseur 3 a une puissance inférieure à 10 kW.
Comme illustré à la [Fig. 3], un échangeur 8 de chaleur peut être installé sur la première conduite 4 entre la sortie du second réservoir 3 et l'entrée du compresseur 3 afin de réchauffer le gaz par exemple par échange avec un fluide 7 caloporteur. Ceci permet de réduire la taille du compresseur 3 ou d'utiliser un compresseur relativement plus "chaud" (c'est-à-dire un compresseur qui n'est pas configure pour des températures cryogéniques très basses) . Les frigories récupérées du gaz réchauffé peuvent être stockées (par exemple dans une masse à
inertie thermique) pour être réutilisée par exemple pour le remplissage de réservoirs avec du gaz (hydrogène par exemple refroidissement du gaz transféré sous pression dans un réservoir) L'invention présente de nombreux avantages.
Le transfert de liquide dans le second réservoir 3 par le haut permet d'y réduire la pression ou évite une montée en pression. Ceci permet d'avoir une seule ouverture d'accès dans le second réservoir 3, ce qui réduit les possibilités d'entrées thermiques De plus, la température du gaz récupéré est plus homogène : il y moins d'écart de densité et ceci est plus facile à gérer dans le compresseur.
Le dispositif et en particulier le premier réservoir 2 ne nécessite pas de de réchauffeur atmosphérique (ou peut être équipé d'un réchauffeur atmosphérique plus petit).
Le temps de transfert de liquide est réduit car le temps de pressurisation du premier réservoir est réduit significativement. Le gain est estimé de l'ordre de 30 min à 2 heures par livraison.
L'introduction de chaleur dans le système est en outre minimale, car le gaz évaporé du second réservoir est utilisé pour créer la pression de transfert. Le compresseur 5 ne fournit de préférence qu'une très faible différence de pression (de l'ordre de 1 bar par exemple).
La perte de vaporisation ( boil-off ) est donc minimale sur la chaîne logistique. Le liquide contenu dans le premier réservoir 2 n'est pas vaporisé pour pressuriser ce premier réservoir 2. Le rendement de la chaîne logistique est amélioré (la quantité de liquide livrée aux clients par rapport à celle perdue augmente).
Un compresseur de vapeur est plus solide et fiable qu'une pompe cryogénique qui est plus sensible à la cavitation.
8 Le compresseur 3 n'ajoute pas de chaleur dans le liquide transféré, ce qui permet d'approvisionner des clients en liquide plus froid et plus dense Le second réservoir 3 bénéficie donc plus d'autonomie, ce qui diminue les coûts de ravitaillement et augmente les performances de la station receveuse.

Claims (12)

REVENDICATIONS
1. Procédé de transfert de fluide cryogénique utilisant un dispositif de transfert de fluide cryogénique comprenant un premier réservoir (2) de distribution de fluide cryogénique, ledit premier réservoir (2) stockant un fluide cryogénique avec une phase liquide inférieure et une phase gazeuse supérieure, un second réservoir cryogénique (3) de réception abritant un fluide cryogénique comprenant une phase liquide inférieure et une phase gazeuse supérieure, un circuit de transfert de fluide reliant le premier (2) et le second (3) réservoir, le circuit de transfert comprenant une première conduite (4) reliant les parties supérieures des premier (2) et second (3) réservoirs et comprenant au moins un compresseur (5) configure pour aspirer du gaz à comprimer dans le second réservoir (3) et refouler le gaz comprimé dans le premier (2) réservoir, le circuit de transfert comprenant une seconde (6) conduite reliant la partie inférieure du premier (2) réservoir au second (3) réservoir, le procédé
comprenant une étape de pressurisation du premier réservoir (2) par le compresseur (5) via la première conduite (4) et une étape de transfert de liquide du premier (2) réservoir vers le second (3) réservoir par différentiel de pression entre les deux réservoirs (2, 3), caractérisé en ce que la seconde (6) conduite est relié à la partie supérieure du second réservoir et en ce que le liquide est transféré dans la partie supérieure du second (3) réservoir.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première conduite (4) et la seconde conduite (6) sont reliées à la partie supérieure du second (3) réservoir au niveau d'un même orifice commun.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lors d'au moins une partie de l'étape de pressurisation du premier réservoir (2), la seconde conduite (2) est fermée.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le l'étape de pressurisation du premier réservoir (2) est configurée pour amener à pression dans le premier réservoir (2) à un niveau de pression excédant la pression dans le second réservoir (3) d'une valeur comprise entre 0,2 et 5 et de préférence comprise entre 0 5 et 2 bar.
Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape de pressurisation du premier réservoir (2) est réalisée pendant au moins une partie de l'étape de transfert de liquide du premier (2) réservoir vers le second (3) réservoir.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape de pressurisation du premier réservoir (2) est précédée d'une étape d'équilibrage de pression entre les deux réservoirs (2, 3).
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'étape d'équilibrage de pression entre les deux réservoirs (2, 3) est réalisée par équilibrage de pression passif via la première conduite (4).
8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que l'étape d'équilibrage de pression entre les deux réservoirs (2, 3) est réalisée par équilibrage de pression actif via la première conduite (4) et un pompage par le compresseur (5).
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que l'étape étape d'équilibrage de pression entre les deux réservoirs (2, 3) est configurée pour amener le différentiel de pression entre les deux réservoirs (2, 3) à un niveau inférieur à une valeur déterminée, par exemple inférieur à lbar.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que l'étape d'équilibrage de pression est précédée d'au moins une parmi : une étape de balayage d'au moins une partie des conduites (4, 63), une étape de mise en froid d'au moins une partie des conduites (4, 6).
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé
en ce qu'il comprend une étape de réchauffage du gaz à comprimer avant son admission dans le compresseur (5) lors de l'étape de pressurisation, l'étape de réchauffage comprenant un échange thermique (8) entre le gaz à comprimer et un fluide caloporteur (7) relativement plus chaud.
12. Installation de transfert de fluide cryogénique comprenant un premier réservoir (2) de distribution de fluide cryogénique, par exemple mobile, ledit premier réservoir (2) étant configure pour stocker un fluide cryogénique avec une phase liquide inférieure et une phase gazeuse supérieure, un second réservoir cryogénique (3) de réception configure pour contenir un fluide cryogénique comprenant une phase liquide inférieure et une phase gazeuse supérieure, un circuit de transfert de fluide configure pour relier le premier (2) et le second (3) réservoir, le circuit de transfert comprenant une première conduite (4) configurée pour relier les parties supérieures des premier (2) et second (3) réservoirs et comprenant au moins un compresseur (5) configuré pour aspirer du gaz à comprimer dans le second réservoir 3 et refouler le gaz comprimé dans le premier (2) réservoir, le circuit de transfert comprenant une seconde (6) conduite configurée pour relier la partie inférieure du premier (2) réservoir à la partie supérieure du second (3) réservoir, l'installation comprenant un ensemble de vanne(s) (10) et un organe (9) de commande électronique comprenant un microprocesseur, l'organe (9) de commande étant configuré pour piloter le compresseur (5) et l'ensemble de vanne(s) pour permettre la pressurisation du premier réservoir (2) par le compresseur (5) via la première conduite (4) et transférer du liquide du premier (2) réservoir vers le second (3) réservoir par différentiel de pression entre les deux réservoirs (2, 3).
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