EP2510292A1 - Procédé et dispositif de refroidissement/liquéfaction à basse température - Google Patents

Procédé et dispositif de refroidissement/liquéfaction à basse température

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EP2510292A1
EP2510292A1 EP10798163A EP10798163A EP2510292A1 EP 2510292 A1 EP2510292 A1 EP 2510292A1 EP 10798163 A EP10798163 A EP 10798163A EP 10798163 A EP10798163 A EP 10798163A EP 2510292 A1 EP2510292 A1 EP 2510292A1
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EP
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gas
working
compression
working fluid
station
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Jean-Marc Bernhardt
Frédéric ANDRIEU
Franck Delcayre
Fabien Durand
Véronique GRABIE
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F25J2270/912—Liquefaction cycle of a low-boiling (feed) gas in a cryocooler, i.e. in a closed-loop refrigerator

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for cooling / liquefying at low temperature.
  • the invention may especially relate to a method and a liquefaction device and a method and a refrigeration device operating with helium.
  • the invention relates more particularly to a process for the low temperature cooling / liquefaction of a working fluid, especially a working fluid comprising helium or pure helium, by means of a refrigerator / liquefier comprising a working circuit provided with a compression station and a cold box, the refrigerator / liquefier subjecting the working gas in the working circuit to a cycle comprising in series: a compression of the fl uid of work in the cooling station, cooling and expansion of the working fluid in the cold box and warming of the working fluid for its return to the compressor station, the compressor station comprising one or more compression stages each using one or more compressors mounted on bearings.
  • Refrigerators or liquefiers operating at low temperature conventionally use a working fluid (for example helium) subjected to a work cycle comprising compression, expansion, cooling, reheating. These devices generally require several stages of compression of the working gas. Each compression stage uses one or more compressor wheels. For example compressors centrifugal type.
  • the oil present in the compressor station mechanism must not pollute the working gas (by mixing with helium or by injection moisture and / or light hydrocarbons). Indeed, these impurities introduced into the working circuit may create plugs at cryogenic temperatures and break equipment.
  • An object of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of the prior art noted above.
  • the process according to the invention which moreover conforms to the generic definition given in the preamble above, is essentially characterized in that the refrigerator comprises a device for injecting a barrier gas distinct from the working fluid at at least one bearing of the compressor (s) to form a gaseous barrier guiding the leakage of working fluid from the working circuit to a recycling zone and back into the working circuit.
  • embodiments of the invention may include one or more of the following features:
  • the device for injecting the barrier gas forms a gaseous barrier to prevent the leakage of working fluid from passing to at least one so-called polluted area of the compression station among: a mechanism of the compressor station comprising oil, a non-aerated zone with respect to the atmosphere,
  • the barrier gas is injected at at least one bearing and at a pressure lower than the pressure of the working fluid in the working circuit at the compressor mounted on said bearing,
  • the barrier gas contains nitrogen or consists of pure nitrogen
  • the barrier gas injection device comprises at least one point of injection of the barrier gas and at least one outlet intended to collect the mixture comprising the injected barrier gas and the working fluid originating from the leak or leaks,
  • the refrigerator / liquefier comprises a gas purification unit having a gas inlet to be purified and a purified gas outlet, the outlet of the purification unit being fluidly connected to the working circuit at the outlet of the station of compression, and at least a portion of the mixture of barrier gas and working fluid collected by the at least one outlet is reinjected at the inlet of the purification member for purification and reinjection in the circuit of work at the exit of the compressor station,
  • the inlet of the purification unit is supplied with gas by a gas distinct from the working fluid of the circuit, that is to say that the working circuit is of the type
  • At least a part of the mixture of barrier gas and working fluid collected by the at least one outlet is reinjected into the working circuit at the the inlet of the compression station and / or at an intermediate compression stage and / or at the level of the output of the compression station,
  • the working cycle is said to be "closed” and comprises a gas purifying member having a gas inlet to be purified fed solely by working gas coming from the working circuit and a purified gas outlet which supplies the cold box,
  • the refrigerator / liquefier comprises a gas purification member having a gas inlet to be purified and a purified gas outlet, the outlet of the purification member being fluidly connected to the work circuit at the station entrance. of compression, and (in that and that) at least a portion of the mixture of barrier gas and working fluid collected by the at least one outlet is reinjected at the inlet of the purification member for purification may be reinjected into the workflow at the entrance of the compressor station,
  • the refrigerator / liquefier comprises a gas purification unit having a gas inlet to be purified and a purified gas outlet, the outlet of the purification unit being fluidly connected to the working circuit at an intermediate compression stage of the compressor station and / or at the outlet of the compressor station, and at least a portion of the mixture of barrier gas and working fluid collected by the at least one outlet is fed back to the inlet of the compressor station.
  • purification unit for purification and reinjection into the working circuit in or out of the compressor station.
  • the device comprises a purification member of the mixture for separating impurities from the working gas and in particular for removing the barrier gas from the mixture, the mixture being reinjected into the working circuit after a passage in the purification member.
  • the purifying member comprises a separation system for removing impurities other than the working fluid, such as nitrogen from the gas,
  • the purifying member optionally comprises a compression system for the purified or purified gas
  • the compressor or compressors are of the centrifugal type
  • the invention also relates to a low temperature cooling / liquefying device of a working fluid comprising helium or consisting of pure helium, the device comprising a working circuit provided with a compression station and a cold box, the working circuit subjecting the working gas to a cycle comprising in series: a compression of the working fluid in the compression station, a cooling and a relaxation of the working fluid in the cold box and a heating of the fluid of work for its return to the compression station, the compression station comprising one or more compression stages each using one or more compressors mounted on bearings, characterized in that the refrigerator comprises a device for injecting a compressor gas separate barrier of the working fluid at the level of at least one bearing of the compressor or compressors to form a gaseous barrier guiding the fluid leakage of tr avail from the working circuit to a recycling zone and back into the working circuit.
  • the barrier gas injection device comprises at least one injection point of the barrier gas and at least one outlet intended to collect the mixture of injected barrier gas and of working fluid originating from the leak (s), and circuit comprises a pipe reinjecting said mixture into the working circuit at the inlet of the compression station and / or at an intermediate compression stage of the compression station and / or at the outlet of the compression station. compression station;
  • the device comprises a purification member of the mixture for separating impurities from the working gas and in particular for removing the barrier gas from the mixture, the mixture being reinjected into the working circuit after a passage in the purification member.
  • the invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the above or below features.
  • FIG. 1 represents a schematic and partial sectional view illustrating an example of a bearing-mounted compressor wheel comprising a device for collecting the leaks of the working gas according to the invention
  • FIG. 2 represents a schematic and partial view illustrating the structure and operation of a first embodiment of a refrigeration and / or liquefaction device according to the invention
  • FIG. 3 represents a schematic and partial view illustrating the structure and operation of a second exemplary embodiment of a refrigeration and / or liquefaction device according to the invention
  • FIG. 4 represents a schematic and partial view illustrating the structure and operation of a third exemplary embodiment of a refrigeration and / or liquefaction device according to the invention
  • FIG. 5 shows a schematic and partial view illustrating the structure and operation of a fourth embodiment of real isation of a refrigeration and / or liquefaction device according to the invention.
  • the refrigerant / liquefier example shown in FIG. 2 conventionally comprises a compression station 2 and a cold box 3.
  • the refrigerator / liquefier utilizes a low molecular weight working fluid, and preferably majority or pure helium gas.
  • this helium can be produced from a source S of helium rich gas, for example from natural gas (or other) which is purified by a purification unit 1 so as to supply helium to a refrigerator / liquefier working loop.
  • the purification unit or unit 1 contains, for example, a cryogenic gas separation system and / or two adsorbers arranged in parallel operating alternately in successive adsorption / regeneration cycles (of the PSA or TSA type, for example).
  • the adsorbers are, for example, adsorbents of the activated carbon or silica-based type, for removing impurities such as air, nitrogen.
  • the system forms an open loop with continuous impurity supply.
  • the working gas is compressed at ambient temperature in the compression station 2 according to one or more compression stages 12 each using one or more compression machines, for example of the centrifugal compression type.
  • the working gas arrives at a temperature close to ambient temperature at a so-called low LP pressure of, for example, between 1 and 3 bar abs.
  • the working gas can then reach a so-called average pressure MP of, for example, between 3 and 8 bar abs.
  • the working gas can then reach a so-called high pressure HP, for example between 9 and 27 bar abs.
  • the compressed working gas is then admitted to a cold box 3 where it is cooled (or pre-cooled).
  • the energy (heat) is extracted from the working gas by expansion in one or more cryogenic turbines and / or by thermal exchange with a cryogenic fluid such as nitrogen for example (the details of the cold box not shown for the sake of simplification ).
  • the working fluid that has been thermally exchanged with a user can be returned to the inlet of the comissioning station 2 (possibly with progressive heating in exchangers).
  • leakage of working gas occurs in particular at the bearings 5 of the shaft 25 of the compression wheels 12.
  • one or more sealing devices are arranged around the shaft 25 at each bearing 5, to limit the leakage of working gas from the working circuit (sealing devices of the "labyrinth" type for example) .
  • a barrier gas for example nitrogen
  • a barrier gas is injected at the level of the bearings 5 and of the shaft 25, in particular to isolate the working circuit of the mechanical part containing the oil O (mechanism of gears and engine (s) of the compressor station). That is, the barrier gas is provided to guide the working gas leakage to an outlet 24.
  • two N2 barrier gas injection points 14 may frame an exit path 24 for mixture comprising the injected barrier gas N2 and the working gas He collected. For example, only the barrier gas N2 passes into the part in contact with the oil O or the atmosphere.
  • the pressure of the injected barrier gas is lower than the pressure of the working gas at the level of the compression wheel concerned. In this way, it avoids a pollution of the working circuit by the barrier gas.
  • the barrier gas contains a significant amount of working gas (for example between 20 and 50 mol%).
  • This mixture (He + N2) therefore leaves bearings at a relatively low pressure, for example between 1 and 7 bar abs depending on the compression stage concerned.
  • FIG. 2 represents a first embodiment which may concern, for example, an industrial type liquefaction unit.
  • the device comprises a gas purification member 1 having an inlet 1 1 of gas to be purified and an outlet 21 of purified gas.
  • the outlet 21 of the purification member 1 is fluidly connected to the circuit working at the output of the compressor station 2 or lower level of the cycle depending on its temperature.
  • the inlet 1 1 of the purification member 1 is fed with S gas from a source, for example a mixture of methane, nitrogen and helium. That is, the working gas of the working circuit is fed in open loop by less pure gas which undergoes purification treatment.
  • a source for example a mixture of methane, nitrogen and helium.
  • the mixture of barrier gas and working fluid collected by the outlets 24 described above is reinjected, via a line 13, to the inlet of the purification member 1 for purification and subsequent purification. reinjection into the working circuit at the exit of the compression station 2 or at the lower level of the cycle as a function of its temperature. That is to say that the barrier gas mixed with the working gas at the outlet 24 of the compressor system can be sent to the suction of the purification member 1, for example at the suction of a compressor forming part of the organ 1 purification. Indeed, this recovered mixture contains a level of nitrogen impurity which may be compatible with the operation of the purification member 1.
  • the flow rate of the working gas is relatively low compared to the flow rate of the compressor of the purification unit.
  • the level of tightness at each stage 12 of compression of the working gas is therefore not critical. Therefore, expensive sealing solutions can be avoided at the bearings to reduce overall costs.
  • FIG. 3 shows a second embodiment which may relate, for example, to a refrigeration unit.
  • elements identical to those described above are designated by the same reference numerals and are not described a second time.
  • the device of FIG. 3 operates in this embodiment with a closed-loop work circuit (no supply of working gas via an external source).
  • the mixture of barrier gas and working fluid collected by the outlets 24 is reinjected preferably directly at the inlet of the compression station 2 or of an intermediate stage of the compression station via a pipe 13.
  • mixture (dam gas and working gas) recovered at the outputs 24 of the compressors 2 is therefore injected directly into the low pressure circuit of the corresponding stage or the compressor station.
  • the circuit of work may optionally comprise a gas purification member 1 having an inlet 1 1 of gas to be purified supplied with working gas at the outlet of the compression station 2.
  • the purified gas outlet 21 of the purification member 1 supplies the cold box 3.
  • Fig. 4 shows a third embodiment which may relate, for example, to a refrigeration unit.
  • the device operates in this embodiment with a closed-loop work circuit.
  • the mixture of barrier gas and working fluid collected by the outlets 24 is re-injected into the inlet 21 for supplying gas to a gasification unit.
  • the purification member 1 removes the impurities (removal of all or part of the barrier gas, for example via TSA or PSA nitrogen adsorbers in the case where the barrier gas is nitrogen) . That is, in this case, the mixture of dam gas (nitrogen) and working gas (helium) recovered leaves the compressors 12 at a pressure sufficient to be directly admitted into a conventional member 1. low pressure purification.
  • the output 21 of the purified g of the purification member 1 is fluidly connected to the working circuit at the level of the inlet of the compression station 2. That is, the working fluid is returned to the working circuit after purification.
  • Fig. 5 shows a fourth embodiment which may relate, for example, to a refrigeration unit.
  • the device operates in this embodiment with a closed-loop work circuit.
  • the mixture of barrier gas and working fluid collected by all or part of the outlets 24 is fed back into the inlet 21 for supplying gas to a gas purification member 1 via a compressor 6. that is to say that the mixture is compressed at a pressure sufficient to allow its purification at high or medium pressure (pressures for example between 3 and 27 bar abs).
  • the purified and medium or high pressure working gas is re-injected at a level of an intermediate compression stage of the compression station 2 and / or at the outlet of the compression station 2.
  • the invention is not limited to the embodiments described above.
  • an intermediate device between the embodiments of FIGS. 4 and 5. That is to say that, when the mixture recovered has a relatively low pressure, for example between 1 and 3 bar. (pressure in the wheels of the first stage of compression), this The mixture can be compressed at medium pressure (between 3 and 9 bar) before being purified or reinjected directly into the circuit.
  • the recovered mixture has an average pressure, for example between 3 and 15 bar (pressure in the wheels of an intermediate compression stage)
  • this mixture can be sent to a medium pressure purifier 1. In this way, the size of the recovery compressor can be reduced.
  • the usual internal adsorbers of the cold box 3 (to purify the working fluid) are preferably dimensioned accordingly.
  • this mixture can be sent to a medium pressure purifier 1.
  • the invention makes it possible to recover and recycle the working fluid that has been leaked.
  • the invention makes it possible to control the pollution of the working gas with a barrier gas.
  • the working gas polluted by the barrier gas is recovered and purified (in the cold box 3 and / or in an external purification member 1). This purification can be performed at medium pressure after compression (or after pressure increase compatible with the sealing system).
  • the purified gas can be fed back into the circuit at the low pressure level and / or at the medium pressure and / or at the high pressure level.
  • the invention may especially relate to any liquefaction or refrigeration unit (helium ring or noble gas) of large capacity.
  • the invention may in particular also apply to a hydrogen liquefier using helium as the working gas.

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Abstract

Procédé de refroidissement/liquéfaction à basse température d'un fluide de travail, notamment un fluide de travail comprenant de l'hélium ou constitué d'hélium pur au moyen d'un réfrigérateur/liquéfacteur comprenant un circuit de travail pourvu d'une station (2) de compression et d'une boîte (3) froide, le réfrigérateur/liquéfacteur soumettant le gaz de travail dans le circuit de travail à un cycle comprenant en série: une compression du fluide de travail dans la station (2) de compression, un refroidissement et une détente du fluide de travail dans la boîte froide (3) et un réchauffement du fluide de travail en vue de son retour vers la station (2) de compression, la station (2) de compression comprenant un ou plusieurs étages de compression utilisant chacun un ou plusieurs compresseurs (12) monté sur des paliers (5), caractérisé en ce que le réfrigérateur comprend un dispositif (4) d'injection d'un gaz de barrage distinct du fluide de travail au niveau d'au moins un palier (5) du ou des compresseurs pour former un barrage gazeux guidant les fuites de fluide de travail provenant du circuit de travail vers une zone (13) de recyclage et de retour (13, 21) dans le circuit de travail.

Description

Procédé et dispositif de refroidissement/liquéfaction à basse température.
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de refroidissement/liquéfaction à basse température.
L'invention peut notamment concerner un procédé et un dispositif de liquéfaction et un procédé et un dispositif de réfrigération fonctionnant à l'hélium.
L' i nvention con cern e pl u s pa rti cu l ièrem ent un procédé de refroidissement/liquéfaction à basse température d'un fluide de travail, notamment un fluide de travail comprenant de l'hélium ou constitué d'hélium pur, au moyen d'un réfrigérateur/liquéfacteur comprenant un circuit de travail pourvu d'une station de compression et d'une boîte froide, le réfrigérateur/liquéfacteur soumettant le gaz de travail dans le circuit de travail à un cycle comprenant en série: une compress ion d u fl u id e d e trava i l d a n s l a statio n d e co m press ion , u n refroid issement et une détente du fluide de travail dans la boîte froide et un réchauffement du flu ide de travail en vue de son retour vers la station de compression, la station de compression comprenant un ou plusieurs étages de compression utilisant chacun un ou plusieurs compresseurs monté sur des paliers.
Les réfrigérateurs ou liquéfacteur fonctionnant à basse température (par exemple inférieure à 80K ou inférieure à 20K) utilisent classiquement un fluide de travail (par exemple de l'hélium) soumis à un cycle de travail comprenant une compression, une détente, un refroidissement, un réchauffage. Ces appareils nécessitent en général plusieurs étages de compression du gaz de travail . Chaque étage de compression utilise une ou plusieurs roues de compresseur. Par exemple des compresseurs du type centrifuge.
Les fuites de gaz de travail dans la station de compression au niveau de l'interface entre les parties tournantes et les parties fixes sont inévitables. En particulier lorsque le gaz de travail est de l'hélium, on constate des fuites de gaz relativement importantes au niveau des paliers qui sustentent les arbres des roues des compresseurs. Pour limiter cette perte de gaz de travail relativement coûteux, il est connu de limiter la fuite au niveau de chaque palier de chaque étage de compression via des organes tels que des garnitures formant des labyrinthes pour gaz, des garnitures à huile, des garnitures à anneau flottant, des garnitures à gaz...
Outre le fait que ces dispositifs augmentent le coût de l'installation, ces systèm es con n u s n e sont pas toujou rs ad a ptés à l a tech nolog ie d es refroidisseurs/liquéfacteurs.
De plus, l'huile présente dans le mécanisme de la station de compression ne doit pas polluer le gaz de travail (par mélange avec l'hélium ou par apport d'humidité et/ou d'hydrocarbures légers). En effet, ces impuretés introduites dans le circuit de travail risquent de créer des bouchons aux températures cryogéniques et de casser les équipements.
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 réfrigérateur comprend un dispositif d'injection d'un gaz de barrage distinct du fluide de travail au niveau d'au moins un palier du ou des compresseurs pour former un barrage gazeux guidant les fuites de fluide de travail provenant du circuit de travail vers une zone de recyclage et de retour dans le circuit de travail.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le dispositif d'injection du gaz de barrage forme un barrage gazeux pour empêcher les fuites de fluide de travail de transiter vers au moins une zone dite polluée de la station de compression parmi : un mécanisme de la station de compression com pren ant d e l ' h u i l e , u ne zon e non étan che vis-à-vis de l'atmosphère,
- le gaz de barrage est injecté au niveau d'au moins un palier et à une pression inférieure à la pression du fluide de travail dans le circuit de travail au niveau du compresseur monté sur ledit palier,
- le gaz de barrage contient de l'azote ou est constitué d'azote pur,
- le dispositif d'injection de gaz de barrage comprend au moins un point d'injection du gaz de barrage et au moins une sortie destinée à recueillir le mélange comprenant le gaz de barrage injecté et le fluide de travail provenant de la ou des fuites,
- le réfrigérateur/liquéfacteur comprend un organe de purification de gaz ayant une entrée de gaz à purifier et une sortie de gaz purifié, la sortie de l'organe de purification étant reliée fluidiquement au circuit de travail au niveau de la sortie de la station de compression, et au moins une partie du mélange de gaz de barrage et de fluide de travail recueilli par la au moins une sortie est réinjecté à l'entrée de l'organe de purification en vue de sa purification puis de sa réinjection dans le circuit de travail à la sortie de la station de compression,
- l'entrée de l'organe de purification est alimenté en gaz par un gaz distinct du fluide de travail du circuit, c'est-à-dire que le circuit de travail est du type
« ouvert »,
- au moins une partie du mélange de gaz de barrage et de fluide de travail recueilli par la au moins une sortie est réinjecté dans le circuit de travail au niveau de l'entrée de la station de compression et/ou au niveau d'un étage de compression interméd ia ire et/ou au n iveau de la sortie de la station de compression,
- le cycle de travail est dit « fermé » et comprend un organe de purification de gaz ayant une entrée de gaz à purifier alimentée uniquement par du gaz de travail provenant du circuit de travail et une sortie de gaz purifié qui alimente la boîte froide,
- le réfrigérateur/liquéfacteur comprend un organe de purification de gaz ayant une entrée de gaz à purifier et une sortie de gaz purifié, la sortie de l'organe de purification étant reliée fluidiquement au circuit de travail au niveau de l'entrée de la station de compression, et (en ce que et que) au moins une partie du mélange de gaz de barrage et de fluide de travail recueilli par la au moins une sortie est réinjectée à l'entrée de l'organe de purification en vue de sa purification pu is de sa réinjection dans le circu it de travail à l'entrée de la station de compression,
- le réfrigérateur/liquéfacteur comprend un organe de purification de gaz ayant une entrée de gaz à purifier et une sortie de gaz purifié, la sortie de l'organe de purification étant reliée fluidiquement au circuit de travail au niveau d'un étage de compression intermédiaire de la station de compression et/ou au niveau de la sortie de la station de compression, et au moins une partie du mélange de gaz de barrage et de fluide de travail recueilli par la au moins une sortie est réinjectée à l'entrée de l'organe de purification en vue de sa purification puis de sa réinjection dans le circuit de travail dans ou à la sortie de la station de compression.
- au moins une partie du mélange de gaz de barrage et de fluide de travail recueilli par la au moins une sortie est comprimée avant d'alimenter l'entrée de l'organe de purification,
- le dispositif comprend un organe de purification du mélange pour séparer des impuretés du gaz de travail et notamment pour retirer le gaz de barrage du mélange, le mélange étant réinjecté dans le circuit de travail après un passage dans l'organe de purification.
- l'organe de purification comprend un système de séparation pour retirer les impuretés autres que le fluide de travail telles que l'azote du gaz,
- l'organe de purification comprend éventuellement un système de compression du gaz purifié ou à purifier,
- la ou les compresseurs sont du type centrifuge,
- la ou les turbines de détente de la boîte froide sont du type centrifuge, L'invention concerne également un dispositif de refroidissement/liquéfaction à basse température d'un fluide de travail comprenant de l'hélium ou constitué d'hélium pur, le dispositif comprenant un circuit de travail pourvu d'une station de compression et d'une boîte froide, le circuit de travail soumettant le gaz de travail à un cycle comprenant en série : une compression du fluide de travail dans la station de compression, un refroidissement et une détente du fluide de travail dans la boîte froide et un réchauffement du fluide de travail en vue de son retour vers la station de compression, la station de compression comprenant un ou plusieurs étages de compression utilisant chacun un ou plusieurs compresseurs monté sur paliers, caractérisé en ce que le réfrigérateur comprend un dispositif d'injection d'un gaz de barrage distinct du fluide de travail au niveau d'au moins un palier du ou des compresseurs pour former un barrage gazeux guidant les fuites de fluide de travail provenant du circuit de travail vers une zone de recyclage et de retour dans le circuit de travail .
Selon d'autres particularités possibles :
- le dispositif d'injection de gaz de barrage comprend au moins un point d'injection du gaz de barrage et au moins une sortie destinée à recueillir le mélange de gaz de barrage injecté et de fluide de travail provenant de la ou des fuites et le circuit comprend une conduite réinjectant ledit mélange dans le circuit de travail au niveau de l'entrée de la station de compression et/ou au niveau d'un étage de compression intermédiaire de la station de compression et/ou au niveau de la sortie de la station de compression ;
- le dispositif comprend un organe de purification du mélange pour séparer des impuretés du gaz de travail et notamment pour retirer le gaz de barrage du mélange, le mélange étant réinjecté dans le circuit de travail après un passage dans l'organe de purification.
L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.
D'autres particu larités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
- la figure 1 représente une vue en coupe, schématique et partielle, illustrant un exemple de roue de compresseur montée sur paliers comprenant un dispositif de collecte des fuites du gaz de travail selon l'invention,
- la figure 2 représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un premier exemple de réalisation d'un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction selon l'invention, - la figure 3 représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un second exemple de réalisation d'un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction selon l'invention,
- la figure 4 représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un troisième exemple de réalisation d'un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction selon l'invention,
- la figure 5 représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un quatrième exemple de réal isation d'un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction selon l'invention.
L'exemple de réfrigérateur/liquéfacteur représenté à la figure 2 comprend, classiquement, une station 2 de compression et une boîte froide 3.
Le réfrigérateur/liquéfacteur util ise un flu ide de travail à faible masse molaire, et de préférence de l'hélium gazeux majoritaire ou pur.
Comme représenté, cet hélium peut être produit à partir d'une source S de gaz riche en hélium, par exemple à partir de gaz naturel (ou autre) qui est purifié par une unité de purification 1 de façon à fournir de l'hélium à une boucle de travail du réfrigérateur/liquéfacteur. L'unité ou organe de purification 1 contient par exemple un système de séparation cryogénique des gaz et/ou deux adsorbeurs disposés en parallèle fonctionnant de façon alternée selon des cycles successifs d'adsorption/régénération (de type PSA ou TSA par exemple). Les adsorbeurs sont par exemple des adsorbeurs du type charbon actif ou à base de silice, pour retirer des impuretés telles que de l'air, l'azote.
C'est-à-dire que le système forme une boucle ouverte avec apport continue d'impureté.
Classiquement, le gaz de travail est comprimé à température ambiante dans la station 2 de compression selon un ou plusieurs étages de compression 12 utilisant chacun une ou plusieurs machines de compression, par exemple de type à compression centrifuge.
Ainsi, en entrée de la station de compression 2 le gaz de travail arrive à une température proche de la température ambiante à une pression dite basse LP comprise par exemple entre 1 et 3 bar abs. En sortie du premier étage de compression 12 le gaz de travail peut atteindre ensuite une pression dite moyenne MP comprise par exemple entre 3 et 8 bar abs.
En sortie du second étage de compression 12 le gaz de travail peut atteindre ensuite une pression dite haute HP comprise par exemple entre 9 et 27 bar abs.
Le gaz de travail comprimé est ensuite admis dans une boîte froide 3 où il est refroidi (ou pré-refroidi). Classiquement, lors de ce (pré)refroidissement, de l'énergie (chaleur) est extraite du gaz de travail par détente dans une ou des turbines cryogéniques et/ou par échange thermique avec un fluide cryogénique tel que l'azote par exemple (les détails de la boîte froide non représentés par soucis de simplification).
Le fluide de travail ayant échangé thermiquement avec un utilisateur peut en su ite retou rn er vers l 'entrée d e l a station 2 d e com press ion (avec éventuellement un réchauffage progressif dans des échangeurs).
Comme représenté schématiquement à la figure 1 , des fuites de gaz de travail (He) se produisent au niveau notamment des paliers 5 de l'arbre 25 des roues 12 de compression.
De préférence un ou plusieurs dispositif 15 d'étanchéité sont disposés autour de l'arbre 25 au niveau de chaque palier 5, pour limiter les fuites de gaz de travail provenant du circuit de travail (dispositifs d'étanchéité du type « labyrinthe par exemple).
Selon l'invention, un gaz de barrage (par exemple de l'azote) est injecté au niveau des paliers 5 et de l'arbre 25 pour notamment isoler le circuit de travail de la partie mécanique contenant l'huile O (mécanisme d'engrenages et moteur(s) de la station de compression). C'est-à-dire que le gaz de barrage est prévu pour guider les fuites de gaz de travail vers une sortie 24. Par exemple, deux points 14 d'injection de gaz de barrage N2 peuvent encadrer un chemin de sortie 24 pour le mélange comprenant le gaz de barrage injecté N2 et le gaz de travail He recueilli. Par exemple, seul le gaz de barrage N2 transite dans la partie en contact avec l'huile O ou l'atmosphère.
De préférence, la pression du gaz de barrage injecté est inférieure à la pression du gaz de travail au niveau de la roue de compression concernée. De cette façon, on évite une pollution du circuit de travail par le gaz de barrage.
On notera de plus qu'une fuite de gaz de travail vers le gaz de barrage est nécessaire au bon fonctionnement de cette zone d'étanchéité (en vue notamment du refroidissement des paliers).
En sortie 24, le gaz de barrage contient une quantité non négligeable de gaz de travail (par exemple entre 20 et 50% en mole). Ce mélange (He + N2) sort donc des paliers à une pression relativement basse comprise par exemple entre 1 et 7 bar abs dépendant de l'étage de compression concerné.
La figure 2 représente un premier mode de réalisation qui peut concerner, par exemple, une unité de liquéfaction de type industriel.
Dans ce mode de réalisation le dispositif comprend un organe 1 de purification de gaz ayant une entrée 1 1 de gaz à purifier et une sortie 21 de gaz purifié. La sortie 21 de l'organe 1 de purification est reliée fluidiquement au circuit de travail au niveau de la sortie de la station 2 de compression ou à niveau inférieur du cycle en fonction de sa température.
L'entrée 1 1 de l'organe 1 de purification est alimentée en gaz S d'une source, par exemple un mélange de méthane, azote et hélium. C'est-à-dire que le gaz de travail du circuit de travail est alimenté en boucle ouverte par du gaz moins pur qui subit un traitement de purification.
De plus, le mélange de gaz de barrage et de fluide de travail recueilli par les sorties 24 décrites ci-dessus est réinjecté, via une conduite 13, à l'entrée de l'organe 1 de purification en vue de sa purification puis de sa réinjection dans le circuit de travail à la sortie de la station 2 de compression ou à niveau inférieur du cycle en fonction de sa température. C'est-à-dire que le gaz de barrage mélangé au gaz de travail en sortie 24 du système compresseur peut-être envoyé à l'aspiration de l'organe 1 de purification, par exemple au niveau de l'aspiration d'un compresseur faisant partie de l'organe 1 de purification. En effet, ce mélange récupéré contient un niveau d'impureté en azote qui peut être compatible avec le fonctionnement de l'organe 1 de purification.
Le débit de fuite de gaz de travail est relativement faible par rapport au débit du compresseur de l'unité de purification. Le niveau d'étanchéité au niveau de chaque étage 12 de compression du gaz de travail n'est de ce fait pas critique. Par conséquent, des solutions d'étanchéité 15 coûteuses peuvent être évitées au niveau des paliers pour réduire les coûts de l'ensemble.
La figure 3 représente un second mode de réalisation qui peut concerner, par exemple, une unité de réfrigération. Dans les figures 3 et su ivantes les éléments identiques à ceux décrits ci-dessus sont désignés par les mêmes références numériques et ne sont pas décrits une seconde fois. Le dispositif de la figure 3 fonctionne dans ce mode de réal isation avec un circuit de travail en boucle fermée (pas d'apport de gaz de travail via une source extérieure).
Le mélange de gaz de barrage et de fluide de travail recueilli par les sorties 24 est réinjecté de préférence directement au niveau de l'entrée de la station 2 de compression ou d'un étage intermédiaire de la station de compression via une conduite 13. Le mélange (gaz de barrage et gaz de travail) récupéré aux sorties 24 des compresseurs 2 est donc injecté directement dans le circuit en basse pression de l'étage correspondant ou de la station de compression.
Ce recyclage peut générer une pollution (gaz de barrage tel que l'azote) dans le circuit de travail. Ces impuretés sont de préférence épurées dans le circuit de travail. Cette épuration peut être réalisée soit en dimensionnant les adsorbeurs de purification classiquement prévus dans la boite froide 3 soit en ajoutant un système d'épuration 1 supplémentaire. Ainsi, comme représenté, le circuit de travail peut comprendre facultativement un organe 1 de purification du gaz ayant une entrée 1 1 de gaz à purifier alimentée en gaz de travail à la sortie de la station 2 de compression. La sortie 21 de gaz purifié de l'organe 1 de purification alimente la boîte 3 froide.
Sur ce type d'unité de réfrigération dont le cycle de travail est en boucle fermée, les pertes de gaz de travail au niveau des paliers doivent être relativement limitées.
La figure 4 représente un troisième mode de réalisation qui peut concerner, par exemple, une unité de réfrigération. Le dispositif fonctionne dans ce mode de réalisation avec un circuit de travail en boucle fermée. Le mélange de gaz de barrage et de fluide de travail recueilli par les sorties 24 est réinjecté dans l'entrée 21 d 'al imentation en g az d ' u n org ane 1 de pu rification de gaz. Comme précédemment, l'organe 1 de purification retire les impuretés (retrait de tout ou partie du gaz de barrage, par exemple via des adsorbeurs d'azote de type TSA ou PSA dans le cas où le gaz de barrage est de l'azote). C'est-à-dire que, dans ce cas, le mélange de gaz de barrage (azote) et de gaz de travail (hélium) récupéré sort des compresseurs 12 à une pression suffisante pour être admis directement dans un organe 1 usuel d'épuration à faible pression.
La sortie 21 de g az pu rifié de l 'organe 1 de pu rification est reliée flu id iquement au circu it de travail au n iveau de l'entrée de la station 2 de compression. C'est-à-dire que le fluide de travail est renvoyé dans le circuit de travail après purification.
La figure 5 représente un quatrième mode de réalisation qui peut concerner, par exemple, une unité de réfrigération. Le dispositif fonctionne dans ce mode de réalisation avec un circuit de travail en boucle fermée. Le mélange de gaz de barrage et de fluide de travail recueilli par tout ou une partie des sorties 24 est réinjecté dans l'entrée 21 d'alimentation en gaz d'un organe 1 de purification de gaz via un compresseur 6. C'est-à-dire que le mélange est comprimé à une pression suffisante pour permettre son épuration à haute ou moyenne pression (pressions comprises par exemple entre 3 et 27 bar abs). Le gaz de travail épuré et à moyenne ou haute pression est réinjecté à un n iveau d'un étage de compression intermédiaire de la station 2 de compression et/ou au niveau de la sortie de la station 2 de compression.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus . Par exem ple, il est possible d 'envisager u n d ispositif intermédiaire entre les modes de réalisation des figures 4 et 5. C'est-à-dire que, lorsque le mélange récupéré a une pression relativement basse, par exemple entre 1 et 3 bar (pression dans les roues du premier étage de compression), ce mélange peut être comprimé à moyenne pression (entre 3 et 9 bar) avant son épuration ou sa réinjection directe dans le circuit. Lorsque le mélange récupéré a une pression moyenne, par exemple entre 3 et 15 bar (pression dans les roues d'un étage de compression intermédiaire), ce mélange peut être envoyé vers un épurateur 1 moyenne pression . De cette façon, la taille du compresseur de récupération peut être réduite.
De la même façon, il est possible d'envisager un dispositif intermédiaire entre les modes de réalisation des figures 2 et 3. C'est-à-dire que, lorsque le mélange récupéré a une pression relativement basse, par exemple entre 1 et 3 bar (pression dans les roues du premier étage de compression), ce mélange peut être réinjecté directement dans le circuit à l'entrée de la station de compression.
Dans ce cas, pour traiter le surplus d'impuretés, les adsorbeurs internes usuels de la boîte froide 3 (pour purifier le fluide de travail) sont de préférence dimensionnés en conséquence.
Lorsque le mélange récupéré a une pression moyenne, par exemple entre
3 et 15 bar (pression dans les roues d'un étage de compression intermédiaire), ce mélange peut être envoyé vers un épurateur 1 moyenne pression.
On comprend donc aisément que, tout en état de structure simple et peu coûteuse, l'invention permet de récupérer et de recycler le fluide de travail ayant fait l'objet de fuites.
L'invention permet de contrôler la pollution du gaz de travail avec un gaz de barrage. La gaz de travail pollué par le gaz de barrage est récupéré et épuré (dans la boite froide 3 et/ou dans un organe d'épuration 1 externe). Cette épuration peut être réalisée à moyenne pression après compression (ou après augmentation de pression compatible avec le système d'étanchéité). Le gaz épuré peut être réinjecté dans le circuit au niveau de la basse pression et/ou au niveau de la moyenne pression et/ou au niveau de la haute pression.
L'invention peut notamment concerner toute unité de liquéfaction ou de réfrigération (à cycle Hélium ou gaz rare) de grande capacité.
L'invention peut notamment s'appl iquer également à un liquéfacteur d'hydrogène utilisant l'hélium comme gaz de travail.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de refroidissement/liquéfaction à basse température d'un fluide de travail, notamment un fluide de travail comprenant de l'hélium ou constitué d'hélium pur au moyen d'un réfrigérateur/liquéfacteur comprenant un circuit de travail pourvu d'une station (2) de compression et d'une boîte (3) froide, le réfrigérateur/liquéfacteur soumettant le gaz de travail dans le circuit de travail à un cycle comprenant en série: une compression du fluide de travail dans la station (2) de compression, un refroidissement et une détente du fluide de travail dans la boîte froide (3) et un réchauffement du fluide de travail en vue de son retour vers la station (2) de compression, la station (2) de compression comprenant un ou plusieurs étages de compression utilisant chacun un ou plusieurs compresseurs (12) monté sur des paliers (5), caractérisé en ce que le réfrigérateur comprend un dispositif (4) d'injection d'un gaz de barrage distinct du fluide de travail au niveau d'au moins un palier (5) du ou des compresseurs pour former un barrage gazeux guidant les fuites de fluide de travail provenant du circuit de travail vers une zone (13) de recyclage et de retour (13, 21 ) dans le circuit de travail.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le dispositif (4) d'injection du gaz de barrage forme un barrage gazeux pour empêcher les fuites de fluide de travail de transiter vers au moins une zone (121 ) dite polluée de la station (2) de compression parmi : un mécanisme de la station (2) de compression comprenant de l'huile, une zone non étanche vis-à-vis de l'atmosphère.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le gaz de barrage est injecté au niveau d'au moins un palier (5) et à une pression inférieure à la pression du fluide de travail dans le circuit de travail au niveau du compresseur monté sur ledit palier (5).
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le gaz de barrage contient de l'azote ou est constitué d'azote pur.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif (4) d'injection de gaz de barrage comprend au moins un point (14) d'injection du gaz de barrage et au moins une sortie (24) destinée à recueillir le mélange comprenant le gaz de barrage injecté et le fluide de travail provenant de la ou des fuites.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le réfrigérateur/liquéfacteur comprend un organe (1 ) de purification de gaz ayant une entrée (1 1 ) de gaz à purifier et une sortie (21 ) de gaz purifié, la sortie (21 ) de l'organe (1 ) de purification étant reliée fluidiquement au circuit de travail au niveau de la sortie de la station (2) de compression, et en ce qu'au moins une partie du mélange de gaz de barrage et de fluide de travail recueilli par la au moins une sortie (24) est réinjecté (13) à l'entrée de l'organe (1 ) de purification en vue de sa purification puis de sa réinjection dans le circuit de travail à la sortie de la station (2) de compression.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'entrée de l'organe (1 ) de purification est alimenté en gaz par un gaz distinct du fluide de travail du circuit, c'est-à-dire que le circuit de travail est du type « ouvert ».
8. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'au moins une partie du mélange de gaz de barrage et de fluide de travail recueilli par la au moins une sortie (24) est réinjecté (13) dans le circuit de travail au niveau de l'entrée de la station (2) de compression et/ou au niveau d'un étage de compression intermédiaire et/ou au niveau de la sortie de la station (2) de compression.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le cycle de travail est dit « fermé » et en ce qu'il comprend un organe (1 ) de purification de gaz ayant une entrée (1 1 ) de gaz à purifier alimentée uniquement par du gaz de travail provenant du circuit de travail et une sortie (21 ) de gaz purifié qui alimente la boîte (3) froide.
10. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le réfrigérateur/liquéfacteur comprend un organe (1 ) de purification de gaz ayant une entrée (1 1 ) de gaz à purifier et une sortie (21 ) de gaz purifié, la sortie (21 ) de l'organe (1 ) de purification étant reliée fluidiquement au circuit de travail au niveau de l'entrée de la station (2) de compression, et en ce qu'au moins une partie du mélange de gaz de barrage et de fluide de travail recueilli par la au moins une sortie (24) est réinjectée (13) à l'entrée de l'organe (1 ) de purification en vue de sa purification puis de sa réinjection dans le circuit de travail à l'entrée de la station (2) de compression.
1 1 . Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le réfrigérateur/liquéfacteur comprend un organe (1 ) de purification de gaz ayant une entrée (1 1 ) de gaz à purifier et une sortie (21 ) de gaz purifié, la sortie (21 ) de l'organe (1 ) de purification étant reliée fluidiquement au circuit de travail au niveau d'un étage de compression intermédiaire de la station (2) de compression et/ou au niveau de la sortie de la station (2) de compression, et en ce qu'au moins une partie du mélange de gaz de barrage et de fluide de travail recueilli par la au moins une sortie (24) est réinjectée (13) à l'entrée de l'organe (1 ) de purification en vue de sa purification puis de sa réinjection dans le circuit de travail dans ou à la sortie de la station (2) de compression.
12. Procédé selon la revendication 1 1 , caractérisé en ce qu'au moins une partie du mélange de gaz de barrage et de fluide de travail recueilli par la au moins une sortie (24) est comprimée (6) avant d'alimenter l'entrée (1 1 ) de l'organe (1 ) de purification.
13. Dispositif de refroidissement/liquéfaction à basse température d'un fluide de travail comprenant de l'hélium ou constitué d'hélium pur, le dispositif comprenant un circuit de travail pourvu d'une station (2) de compression et d'une boîte (3) froide, le circuit de travail soumettant le gaz de travail à un cycle comprenant en série : une compression du fluide de travail dans la station (2) de compression, un refroidissement et une détente du fluide de travail dans la boîte froide (3) et un réchauffement du fluide de travail en vue de son retour vers la station (2) de compression, la station (2) de compression comprenant un ou plusieurs étages de compression utilisant chacun un ou plusieurs compresseurs (12) monté sur paliers, caractérisé en ce que le réfrigérateur comprend un dispositif (4) d'injection d'un gaz de barrage distinct du fluide de travail au niveau d'au moins un palier (5) du ou des compresseurs pour former un barrage gazeux guidant les fuites de fluide de travail provenant du circuit de travail vers une zone (13) de recyclage et de retour (13, 21 ) dans le circuit de travail.
14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le dispositif (4) d'injection de gaz de barrage comprend au moins un point (14) d'injection du gaz de barrage et au moins une sortie (24) destinée à recueillir le mélange de gaz de barrage injecté et de fluide de travail provenant de la ou des fuites et en ce que le circuit comprend une conduite (13) réinjectant ledit mélange dans le circuit de travail au niveau de l'entrée de la station (2) de compression et/ou au niveau d'un étage de compression intermédiaire de la station (2) de compression et/ou au niveau de la sortie de la station (2) de compression.
15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend un organe (1 ) de purification du mélange pour séparer des impuretés du gaz de travail et notamment pour retirer le gaz de barrage du mélange, le mélange étant réinjecté dans le circuit de travail après un passage dans l'organe (1 ) de purification.
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