FR2782544A1 - Pompe pour un liquide cryogenique ainsi que groupe de pompage et colonne de distillation equipes d'une telle pompe - Google Patents

Pompe pour un liquide cryogenique ainsi que groupe de pompage et colonne de distillation equipes d'une telle pompe Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une pompe (1) pour un liquide cryogénique (3), notamment de l'oxygène liquide. Elle comprend un moteur hydraulique (9) alimenté par un liquide moteur (15) sous pression et entraînant une roue de pompage (21) dudit liquide cryogénique (3), et des moyens d'étanchéité relative (33) empêchant la contamination du liquide cryogénique (3) par le liquide moteur (15).

Description

L'invention est relative à une pompe pour un liquide cryogéni-
que, notamment un liquide obtenu lors d'un procédé de distillation d'air
comme par exemple de l'oxygène liquide.
On connaît des pompes à moteur électrique destiné à pomper des liquides cryogéniques comme par exemple de l'oxygène liquide, et comprenant généralement deux blocs distincts, dont l'un est à température
ambiante et comprend un moteur électrique, et dont l'autre est à la tempé-
rature du liquide cryogénique et comprend un bloc de pompage entraîné par
le moteur électrique.
Pour empêcher l'échauffement du liquide cryogénique, des isolations thermiques coûteuses sont disposées entre le bloc moteur et le bloc de pompage afin de diminuer des échanges thermiques entre ces deux blocs.
Par ailleurs, les liquides cryogéniques pompés dans des instal-
lations de distillation d'air contiennent souvent une forte proportion d'oxy-
gène, ce peut poser de sérieux problèmes en cas de court circuit de l'instal-
lation électrique du moteur provoquant des feux métalliques dangereux.
L'invention vise à pallier ces divers inconvénients en proposant
une pompe plus sûre et qui peut être fabriquée à un prix de revient relative-
ment faible.
A cet effet, I'invention a pour objet une pompe pour un liquide cryogénique, notamment de l'oxygène liquide, caractérisée en ce qu'elle comprend un moteur hydraulique alimenté par un liquide moteur sous pression et entraînant une roue de pompage dudit liquide cryogénique, et des moyens d'étanchéité relative empêchant la contamination du liquide
cryogénique par le liquide moteur.
La pompe selon l'invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - elle est immergée dans le liquide cryogénique à pomper, - le liquide moteur sous pression est sous- refroidi, - le liquide moteur possède une masse spécifique supérieure à 400kg/m3, - le moteur hydraulique comprend une roue motrice entraînée par ledit liquide moteur et montée sur un arbre commun avec la roue de pompage, - ledit arbre commun est porté par des paliers lubrifiés au moyen du liquide moteur, - lesdits moyens d'étanchéité relative comprennent un labyrinthe d'étanchéité disposé autour de l'arbre commun, entre la roue motrice et la
roue de pompage.
L'invention a en outre pour objet un groupe de pompage d'un liquide cryogénique, caractérisé en ce qu'il comprend, disposées dans un récipient thermiquement isolé et rempli du liquide cryogénique à pomper, deux pompes telles que définies ci-dessus, immergées dans le liquide cryogénique à pomper et disposées en parallèle dans une conduite du
liquide moteur sous pression.
Le groupe de pompage selon l'invention peut de plus comporter la caractéristique selon laquelle le groupe de pompage comprend en outre, disposés dans la conduite du liquide moteur, des moyens de commutation entre une alimentation par le liquide moteur de l'une ou de l'autre des deux pompes. L'invention a en outre pour objet une installation de distillation d'un gaz, notamment de l'air, comprenant aux moins une première et une seconde colonne, la pression régnant dans la première colonne étant plus élevée que celle régnant dans la seconde colonne, caractérisée en ce qu'elle comprend une pompe telle que définie ci- dessus pour pomper un liquide cryogénique issu de l'une desdites colonnes, ladite pompe étant
entraînée par un liquide moteur issu de l'installation.
L'installation de distillation selon l'invention peut de plus com-
porter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - I'installation de distillation comprend une double colonne dont notamment une colonne moyenne pression et une colonne basse pression,
- ledit liquide cryogénique pompé est un liquide riche en oxy-
gène, - ledit liquide cryogénique pompé est un liquide en provenance 1o d'une colonne argon, - ledit liquide cryogénique pompé est un liquide en provenance d'une colonne basse pression et destiné à être envoyé vers un vaporisateur, - lesdites colonnes sont disposées côte-à-côte, - ledit liquide moteur est de l'air liquide issu d'une ligne d'échange thermique, - ledit liquide moteur est un liquide riche en oxygène,
- ledit liquide moteur est un liquide pauvre en oxygène.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront
de la description suivante, donnée à titre d'exemple, sans caractère limitatif,
en regard des dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une vue schématique en coupe d'une pompe selon l'invention immergée dans un liquide cryogénique, La figure 2 est une vue en coupe d'un détail A de la figure 1, La figure 3 est une vue schématique d'une installation de 2 5 distillation d'air, La figure 4 est un schéma d'un groupe de pompage selon l'invention, et La figure 5 est une variante du groupe de pompage de la figure 4. La figure 6 est une vue schématique d'une variante d'une
l'installation de distillation selon l'invention.
Sur toutes les figures, les mêmes références désignent les
mêmes éléments.
Sur la figure 1 est représentée une pompe 1 selon l'invention. Cette pompe 1 est immergée dans un liquide cryogénique 3 à pomper, comme par exemple de l'oxygène liquide contenu dans un récipient 2
thermiquement isolé.
Le récipient 2 peut par exemple être un réceptacle thermique-
ment isolé disposé à l'extérieur d'une colonne de distillation d'air et ayant
une arrivée 5 du liquide cryogénique 3 à pomper (comme cela est repré-
senté sur la figure 1) ou encore ce récipient peut être une des cuves d'une telle colonne. Dans ce dernier cas, la pompe sera disposée au fond de la cuve de façon à être complètement immergée dans le liquide cryogénique à
pomper.
La pompe 1 comprend un carter 7 dans lequel sont disposés, côté à côte, un moteur hydraulique 9 et un bloc de pompage 11 entraîné
par ce moteur hydraulique 9.
Le moteur hydraulique 9 comprend une roue motrice 13 entraî-
née par un liquide moteur 15 sous pression qui est acheminé par l'intermé-
diaire d'un conduit radial d'alimentation 17 et évacué ensuite par l'intermé-
diaire d'un conduit de sortie 19. Chacun des conduits 17 et 19 est raccordé
au carter 7 à des emplacements appropriés et traverse le récipient 2.
Le liquide moteur 15 sous pression est par exemple de l'air liquide haute pression ou un liquide riche d'une colonne de distillation d'air, c'est-à-dire de l'air liquide enrichi en oxygène ou un liquide pauvre d'une telle colonne, c'est-à-dire de l'azote liquide à peu près pur. De préférence, ce liquide moteur 15 possède une masse spécifique supérieure à 400Kg/m3
et est sous-refroidi avant d'arriver à la pompe 1.
Comme on le voit sur la figure 1, le bloc de pompage 11 com-
prend une roue de pompage 21 du liquide cryogénique 3 à pomper, entraî-
née par le moteur hydraulique 9. En rotation, la roue de pompage 21 aspire le liquide cryogénique 3 au travers d'un conduit central d'aspiration 23 et refoule celui-ci au travers d'un conduit radial de refoulement 25. Pour son entraînement, la roue de pompage 21 est montée sur un arbre 27 commun avec la roue motrice 13. Cet arbre 27 est porté par deux paliers axiaux 29 ainsi qu'un palier radial 31, disposés entre la roue
motrice 13 et la roue de pompage 21.
Avantageusement, ces paliers 29 et 31 sont lubrifiés au moyen
du liquide moteur 15.
Pour empêcher que le liquide cryogénique 3 à pomper ne soit contaminé par le liquide moteur 15, des moyens d'étanchéité relative 33 sont disposés entre la roue motrice 13 et la roue de pompage 21, plus is spécifiquement entre un palier axial 29 et la roue de pompage 21 pour
permettre la lubrification du palier 29 par le liquide moteur 15.
Avantageusement, les moyens 33 d'étanchéité relative com-
prennent un labyrinthe d'étanchéité 35 disposés autour de l'arbre commun 27. En référence à la figure 2 qui montre le labyrinthe d'étanchéité plus en détail, celui-ci comprend un bloc métallique 37 en contact étanche avec la paroi interne du carter 7 de la pompe, et traversé par l'arbre 27. Dans ce bloc 37 sont ménagées deux cavités annulaires 39 et 41,
entourant l'arbre 27 et écartées l'une de l'autre d'une certaine distance.
La cavité 39 est reliée par un conduit 43 ménagé dans le bloc 37 et se prolongeant par une conduite 45 traversant le carter 7 à une première source de dépression 47 externe (voir figure 1) pour aspirer le liquide
moteur 15 et le liquide cryogénique 3 parvenus dans la cavité 39 via l'inter-
stice résultant du jeu entre le bloc 37 et l'arbre 27.
La cavité 41 est reliée par un conduit 49 ménagé dans le bloc 37 et se prolongeant par une conduite 51 traversant le carter 7 à une seconde source de dépression 53 externe (voir figure 1) pour aspirer le liquide cryogénique 3 parvenu dans la cavité 41 via l'interstice entre le bloc 37 et l'arbre 27 et pour refouler le liquide ainsi aspiré dans le conduit 25 par l'intermédiaire d'un conduit 55 afin de récupérer une partie du liquide cryogénique 3 qui a fuit dans l'interstice résultant du jeu entre le bloc 37 et
l'arbre 27.
La dépression générée par la source 47 est supérieure à celle l0 de la source 53 de sorte que le liquide moteur 15 ne peut pas fuir vers la
cavité 41. Ainsi, une contamination du liquide cryogénique 3 est efficace-
ment empêchée.
La pompe 1 selon l'invention fonctionne de la manière suivante.
Le liquide moteur 15 est acheminé sous pression et sous-refroidi
à la roue motrice 13 pour entraîner celle-ci en rotation.
Par l'intermédiaire de l'arbre 27, la roue motrice 13 entraînée entraîne elle-même la roue de pompage 21 provoquant ainsi l'aspiration du liquide cryogénique 3 à pomper par le conduit central 23 dans la pompe et
le refoulement de celui-ci par le conduit 25.
Etant donné que les paliers 29 et 31 sont lubrifiés au liquide moteur 15, il n'y a pas besoin d'un lubrifiant supplémentaire et la pompe 1 se trouve sensiblement simplifiée dans sa construction. En particulier, des problèmes de contamination du flux pompé par un lubrifiant supplémentaire
usuellement rencontrés dans le domaine des pompes sont évités.
Par ailleurs, le labyrinthe d'étanchéité 35 constitue un moyen
efficace pour d'une part récupérer une partie de la fuite du liquide cryogéni-
que 3 et pour d'autre part empêcher la contamination de celui-ci par le
liquide moteur 15.
En variante de la pompe décrite en référence aux figures 1 et 2, on peut prévoir plusieurs roues de pompage et/ou roues motrices ce qui permet à débit équivalent de réduire la vitesse de rotation de l'arbre et ainsi
l'usure de la pompe. On parle dans ce cas d'une pompe "multi-étagée".
Avantageusement, la pompe 1 selon l'invention est utilisée dans une installation de distillation d'air, comme par exemple celle représentée de
façon schématique sur la figure 3 et portant le numéro de référence 50.
Cette installation 50 comprend essentiellement une double colonne 52, une ligne principale d'échange thermique 54, un compresseur lo d'air à distiller 56 et un appareil d'épuration d'air à distiller 58. De plus, elle est équipée d'un récipient 59 contenant une pompe 1 selon l'invention (représentée schématiquement par son carter) pour pomper l'oxygène liquide produit lors de la distillation vers la ligne principale d'échange
thermique 54.
La double colonne 52 comprend une colonne moyenne pression
, fonctionnant sous une moyenne pression par exemple de 6 bars abso-
lus, une colonne basse pression 62, fonctionnant sous une basse pression inférieure à la moyenne pression, par exemple une pression légèrement
supérieure à 1 bar absolu, et un vaporiseur-condenseur principal 64.
L'air gazeux à distiller, comprimé par le compresseur 56 et épuré en eau et en C02, par exemple par absorption, dans l'appareil 58, est refroidi dans la ligne principale d'échange thermique 54 et est injecté en cuve de la colonne moyenne pression 60 au voisinage de son point
de rosée.
Une partie de l'air en sortie de l'appareil 58 est comprimé à haute pression dans un compresseur 58A, liquéfié dans la ligne principale d'échange thermique 54, puis envoyé vers le récipient 59 contenant la
pompe 1 selon l'invention.
Dans ce récipient 59, l'air liquide sous-refroidi sert de liquide moteur 15 pour entraîner la roue motrice 13 du moteur hydraulique 9. Du fait du travail fourni par l'air liquide sous-refroidi pour l'entraînement de la roue
motrice 13, ce liquide est détendu et ensuite envoyé vers un niveau inter-
médiaire de la colonne moyenne pression 60. Le vaporiseur-condenseur 64 vaporise de l'oxygène liquide en cuve de la colonne basse pression 62 par condensation d'azote de tête de
la colonne moyenne pression 60.
De l'oxygène liquide OL, soutiré en cuve de la colonne basse l0 pression 62 est pompé par la pompe 1 selon l'invention, puis envoyé par une conduite 84 vers la ligne principale d'échange thermique 54, o cet
oxygène liquide est vaporisé alors que l'air haute pression se liquéfie.
Du " liquide riche " (air enrichi en oxygène) LR est soutiré de la cuve de la colonne moyenne pression 60, puis sous-refroidi dans un
échangeur de chaleur 68 et injecté dans la colonne basse pression 62.
Du " liquide pauvre " (azote liquide à peu près pur) est prélevé dans la partie supérieure de la colonne moyenne pression 60, détendu dans une vanne de détente 72, puis injecté au sommet de la colonne basse
pression 62.
2 o Ces liquides pauvre et riche peuvent également servir de liquides moteur pour l'entraînement d'une pompe selon l'invention. Dans ce cas, on branchera le moteur hydraulique dans la conduite de transfert à la
place de la vanne 72 ou 70.
On voit donc, que la pompe selon l'invention permet d'une part
de détendre le liquide transféré depuis la ligne principale d'échange thermi-
que 54 vers la colonne moyenne pression 60 avant son injection dans cette dernière, le travail fourni lors de la détente étant utilisé pour entraîner la pompe et soutirer de l'oxygène liquide de la cuve de la colonne basse
pression 62.
Comme cela est représenté schématiquement sur la figure 4, on
prévoit de disposer dans un récipient un groupe de pompage 87 compre-
nant deux pompes 1A et lB immergées dans le liquide cryogénique 3 à pomper et branchées en parallèle dans un conduit du liquide moteur 15 sous pression afin de pallier une éventuelle défaillance par usure de l'une des deux pompes, ce qui permet d'allonger sensiblement des intervalles de
maintenance nécessitant un arrêt de l'installation de distillation.
Dans les conduits d'alimentation 17A et 17B du liquide moteur aux pompes 1A et lB ainsi que dans les conduits 19 A et 19B de sortie du liquide moteur est respectivement disposée une vanne 88, 90 à trois voies permettant la commutation entre une alimentation par le liquide moteur 15
de l'une 1A ou de l'autre 1 B des deux pompes.
En référence à la figure 5 montrant de façon schématique une variante simplifiée du mode du groupe de pompage 87 de la figure 4, on voit que deux vannes de régulation 92 et 94 sont respectivement disposées dans un conduit commun d'alimentation 17 et dans un conduit commun de sortie 19 du liquide moteur 15, une vanne anti-retour 96, 98 étant disposée en sortie de chaque pompe 1A, 1 B. La figure 6 illustre une installation 101 de distillation d'air avec production d'argon impur. Cette installation 101 comprend essentiellement une colonne moyenne pression 102 fonctionnant sous une moyenne pression par exemple de 6 bars absolus, une colonne basse pression 103 fonctionnant sous une pression inférieure à la moyenne pression, par exemple une pression légèrement supérieure à 1 bar absolu, et une colonne de production d'argon impur 104, une ligne principale d'échange thermique , un compresseur d'air à distiller 106 et un appareil d'épuration d'air à
distiller 107.
Les colonnes moyenne pression 102, basse pression 103 et
d'argon 104 sont disposées côte-à-côte.
De plus, la colonne moyenne pression 102 comprend un vaporiseurcondenseur principal 110 et la colonne de production d'argon
impur 104 un condenseur de tête 112.
Une conduite de gaz 116, dite de piquage d'argon, relie un point intermédiaire de la colonne basse pression 103 à la cuve de la colonne 104 d'argon, du fond de laquelle une conduite 117 de retour de liquide est pompé par une pompe 1 selon l'invention (représenté schématiquement) disposé dans un boîtier 59 vers la colonne basse pression 103 et rejoint
celle-ci à peu près au même niveau que la conduite 116.
Une conduite de liquide 119 relie la tête de la colonne 104 à un
niveau intermédiaire de la colonne basse pression 103.
L'air gazeux à distiller, comprimé par le compresseur 106 et épuré en eau et en CO2, par exemple par adsorption, dans l'appareil 107, est refroidi dans la ligne principale d'échange thermique 105 puis divisé dans cette ligne 105 en deux flux. Le premier flux est injecté en cuve de la colonne moyenne pression 102 au voisinage de son point de rosée. Le deuxième flux est détendu, par exemple dans une turbine 119, et envoyé à un niveau intermédiaire dans la colonne basse pression 103 au- dessus de
la conduite 116.
Du "liquide riche" (air enrichi en oxygène) LR est soutiré de la cuve de la colonne moyenne pression 102, puis sous-refroidi dans un échangeur de chaleur 124 pour être utilisé comme liquide moteur pour deux pompes 1A et lB selon l'invention disposées dans des récipients 59 et branchées en parallèles sur la conduite du liquide riche LR. La première pompe 1A est utilisée pour pomper de l'oxygène liquide OL soutiré de la cuve basse pression 103 vers le vaporiseur-condenseur principal 110 et la seconde pompe 1 B est utilisée, comme décrit ci-dessus, pour pomper le liquide soutiré du fond de la cuve de la colonne d'argon 104 vers la colonne basse pression 103. En aval des deux pompes 1A et lB, le liquide riche LR l1 est divisé en deux flux dont l'un est envoyé vers le condenseur de tête 112 de la colonne d'argon 104 et l'autre vers un niveau intermédiaire de la
colonne basse pression 103.
Du "liquide pauvre" (azote a peu près pur) LP est prélevé de la partie supérieure de la colonne moyenne pression 102, puis sous-refroidi dans un échangeur de chaleur 126, ensuite détendu dans une vanne de
détente 130 et enfin injecté au sommet de la colonne basse pression 103.
De l'azote impur ou résiduaire NR soutiré du sommet de la colonne basse pression 103 est réchauffé à la traversée de l'échangeur de
io 0chaleur 126, puis de la ligne d'échange thermique 5.
De l'oxygène gazeux basse pression OGBP est soutiré de la tête de la colonne moyenne pression et divisé en deux flux dont l'un est
injecté en cuve de la colonne basse pression 103 et dont l'autre est ré-
chauffé à la traversée de la ligne d'échange thermique principale 105.
_5 Ainsi que l'on voit à la lumière des exemples présentés, la pompe selon l'invention permet d'utiliser avantageusement les ressources
d'énergie disponibles dans une installation de distillation d'air et ne néces-
site pas de courant électrique pour son fonctionnement, de sorte que le danger d'apparition par exemple de feux métalliques est efficacement
prévenu. De part sa conception, elle est robuste et fiable.

Claims (19)

REVENDICATIONS
1. Pompe (1) pour un liquide cryogénique (3), notamment de I'oxygène liquide, caractérisée en ce qu'elle comprend un moteur hydrauli- que (9) alimenté par un liquide moteur (15) sous pression et entraînant une
roue de pompage (21) dudit liquide cryogénique (3), et des moyens d'étan-
chéité relative (33) empêchant la contamination du liquide cryogénique (3)
par le liquide moteur (15).
2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle
est immergée dans le liquide cryogénique (3) à pomper.
3. Pompe selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce
que le liquide moteur (15) sous pression est sous-refroidi.
4. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,
caractérisée en ce que le liquide moteur (15) possède une masse spécifique
supérieure à 400kg/m3.
5. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,
caractérisée en ce que le moteur hydraulique (9) comprend une roue motrice (13) entraînée par ledit liquide moteur (15) et montée sur un arbre
(27) commun avec la roue de pompage (21).
6. Pompe selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit arbre commun (27) est porté par des paliers (29, 31) lubrifiés au moyen du
liquide moteur (15).
7. Pompe selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que lesdits moyens d'étanchéité relative (33) comprennent un labyrinthe d'étanchéité (35) disposé autour de l'arbre commun (27), entre la roue
motrice (13) et la roue de pompage (21).
8. Utilisation d'une pompe selon l'une quelconque des revendi-
cations 1 à 7 dans une installation de distillation d'air (50).
9. Groupe de pompage d'un liquide cryogénique, caractérisé en ce qu'il comprend, disposées dans un récipient (2) thermiquement isolé et rempli du liquide cryogénique (3) à pomper, deux pompes (1A, lB) selon
l'une quelconque des revendications 1 à 7, immergées dans le liquide
cryogénique (3) à pomper et disposées en parallèle dans une conduite
(17A, 17B, 19A, 19B) du liquide moteur sous pression.
10. Groupe de pompage selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, disposés dans la conduite du liquide moteur (17A, 17B, 19A, 19B), des moyens de commutation (88, 90) entre une alimentation par le liquide moteur de l'une (1A) ou de l'autre (lB) des deux pompes.
11. Installation de distillation (50; 101) d'un gaz, notamment de l'air, comprenant aux moins une première (60; 102) et une seconde (62; 103) colonne, la pression régnant dans la première colonne (60; 102) étant
plus élevée que celle régnant dans la seconde colonne (62; 103), caractéri-
sée en ce qu'elle comprend au moins une pompe (1) selon l'une quelconque
des revendications 1 à 7 pour pomper un liquide cryogénique issu de l'une
desdites colonnes (60, 62; 102, 103), ladite pompe (1) étant entraînée par
un liquide moteur issu de l'installation (50; 101).
12. Installation de distillation selon la revendication 11, carac-
térisée en ce qu'elle comprend une double colonne (52) dont notamment
une colonne moyenne pression (60) et une colonne basse pression (62).
13. Installation de distillation selon la revendication 11, carac-
térisé en ce que lesdites colonnes (102, 103, 104) sont disposées côte-à-
côte.
14. Installation de distillation selon l'une quelconque des
revendications 11 à 13, caractérisé en ce que ledit liquide cryogénique
pompé est un liquide riche en oxygène.
15. Installation de distillation selon l'une quelconque des
revendications 11 à 13, caractérisé en ce que ledit liquide cryogénique
pompé est un liquide en provenance d'une colonne de production d'argon
impur (104).
16. Installation de distillation selon l'une quelconque des
revendications 11 à 13, caractérisé en ce que ledit liquide cryogénique
pompé est un liquide en provenance d'une colonne basse pression (103) et
destiné à être envoyé vers un vaporiseur (110).
17. Installation de distillation selon l'une quelconque des
lo revendications 11 à 16, caractérisée en ce que ledit liquide moteur est de
l'air liquide issu d'une ligne d'échange thermique (54).
18. Installation de distillation selon l'une quelconque des
revendications 11 à 16, caractérisée en ce que ledit liquide moteur est un
liquide riche en oxygène.
19. Installation de distillation selon l'une quelconque des
revendications 11 à 16, caractérisée en ce que ledit liquide moteur est un
liquide pauvre en oxygène.
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