FR3110222A3 - Installation et procédé de réfrigération d’un fluide à température cryogénique - Google Patents

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Abstract

Installation et procédé de réfrigération d’un fluide à température cryogénique comprenant un circuit (2) de fluide à refroidir comprenant une extrémité aval (4) destinée à être reliée à un organe de collecte du fluide refroidi, l’installation (1) de réfrigération comprenant un ensemble d’échangeur(s) (5, 6, 7, 8) de chaleur disposés en série en échange thermique avec le circuit (2) de fluide à refroidir de l’amont vers l’aval et avec un dispositif (9) de refroidissement, le dispositif (9) de refroidissement comprenant un réfrigérateur à circuit de cycle de réfrigération d’un gaz de cycle, le réfrigérateur (9) comprenant au moins un organe (10) de compression du gaz de cycle, au moins un organe (5) de refroidissement du gaz de cycle, au moins un organe (11, 12) de détente du gaz de cycle et au moins un organe (8, 7, 6, 5) de réchauffage du gaz de cycle détendu, l’ensemble d’échangeur(s) (5, 6, 7, 8) de chaleur comprenant un échangeur (8) d’extrémité aval froide en échange thermique avec une extrémité froide du réfrigérateur (9), le circuit (2) de fluide à refroidir comprenant, en aval de son échange de chaleur avec l’échangeur (8) d’extrémité aval froide, un organe (13) de détente du fluide refroidi, le circuit (2) de fluide à refroidir comprenant en aval de son premier échange thermique avec l’échangeur (8) d’extrémité aval froide, un premier retour formant un second échange thermique avec l’échangeur (8) d’extrémité aval froide et un organe (14) de détente du fluide refroidi à l’issue de son second échange thermique avec l’échangeur (8) d’extrémité aval froide tel qu’une vanne de détente Figure de l’abrégé : Fig. 1

Description

Installation et procédé de réfrigération d’un fluide à température cryogénique
L’invention concerne une installation et un procédé de réfrigération d’un fluide à température cryogénique.
L’invention concerne plus particulièrement une installation de réfrigération d’un fluide à température cryogénique, notamment pour la production d’hydrogène liquide sous-refroidi, comprenant un circuit de fluide à refroidir comprenant une extrémité amont destinée à être reliée à une source de fluide et une extrémité aval destinée à être reliée à un organe de collecte du fluide refroidi, l’installation de réfrigération comprenant un ensemble d’échangeur(s) de chaleur disposés en série en échange thermique avec le circuit de fluide à refroidir de l’amont vers l’aval, l’installation de réfrigération comprenant un dispositif de refroidissement en échange thermique avec l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur, le dispositif de refroidissement comprenant un réfrigérateur à circuit de cycle de réfrigération d’un gaz de cycle tel que l’hélium et/ou l’hydrogène et/ou le néon, le réfrigérateur comprenant, disposés en série dans le circuit de cycle réfrigération : au moins un organe de compression du gaz de cycle, au moins un organe de refroidissement du gaz de cycle, au moins un organe de détente du gaz de cycle et au moins un organe de réchauffage du gaz de cycle détendu, l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur comprenant un échangeur d’extrémité aval froide en échange thermique avec une extrémité froide du réfrigérateur, le circuit de fluide à refroidir comprenant, en aval de son échange de chaleur avec l’échangeur d’extrémité aval froide, c’est-à-dire entre l’ensemble d’échangeur(s) de chaleur et l’extrémité aval du circuit de fluide à refroidir, un organe de détente du fluide refroidi.
Le sous refroidissement permet de lutter efficacement contre les entrées thermiques et la génération de gaz issu de la vaporisation de liquide saturé (boil-off) tout au long d’une chaîne de distribution. En effet, un liquide sous-refroidi soumis à des entrées thermiques parasites se réchauffe d’abord en restant en phase liquide avant de se vaporiser une fois le point d’ébullition atteint. L’invention concerne notamment la réduction de l’énergie spécifique d’un liquéfacteur délivrant un liquide sous-refroidi. Le sous refroidissement d’un fluide tel que l’hydrogène liquide coûte plus cher énergétiquement qu’un liquéfacteur livrant du liquide à saturation car le sous-refroidissement induit une température plus basse que la température de saturation (rendement par rapport à une machine idéale de Carnot). De plus dans certains domaines, les courbes enthalpiques de l’hydrogène induisent un réchauffement important du fluide lors d’une détente isenthalpique, notamment en phase liquide sous pression. Par exemple, lorsque l’on souhaite produire de l’hydrogène liquide à 20K et 2 bar, et que le liquéfacteur est alimenté sous pression, par exemple 20 bar (qui est une pression classique en sortie d’un reformeur de méthane), la température amont détente est imposée thermodynamiquement à 18K environ. Ainsi, pour produire de l’hydrogène à 20 K, la température minimale du liquéfacteur est à 18K moins le pincement minimal de l’échangeur terminal au bout froid soit environ 17.5K. La perte intrinsèque à la détente isenthalpique du bout froid d’un liquéfacteur peut peser plus que 10% du bilan total. Diverses solutions existent pour générer ce sous-refroidissement. Une solution connue préconise d’utiliser une turbine de détente au niveau du bout froid du circuit. Cette solution est cependant coûteuse, peu flexible et relativement peu robuste.
Une solution connue consiste à réaliser un sous refroidissement de 2K de l’hydrogène liquéfié via un cycle à caloporteur hélium. Le cycle hélium comprend un ou plusieurs compresseurs volumétriques, typiquement un compresseur vis lubrifiée, une ou plusieurs turbines de détente et des échangeurs à plaques brasées. Une vanne de détente est prévue sur le circuit de fluide liquéfié. Cette solution induit une surconsommation de 6% par rapport à un liquéfacteur livrant l’hydrogène à saturation. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus.
A cette fin, l’installation selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que le circuit de fluide à refroidir comprend en aval de son premier échange thermique avec l’échangeur d’extrémité aval froide, un premier retour formant un second échange thermique avec l’échangeur d’extrémité aval froide et un organe de détente du fluide refroidi à l’issue de son second échange thermique avec l’échangeur d’extrémité aval froide tel qu’une vanne de détente.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • le circuit de fluide à refroidir comprend, en aval de son premier échange thermique avec l’échangeur d’extrémité aval froide, un premier organe de détente tel qu’une vanne de détente, le circuit de fluide à refroidir comprenant en aval de son deuxième échange thermique avec l’échangeur d’extrémité aval froide, un second organe de détente tel qu’une vanne de détente,
  • au moins l’un parmi le premier organe de détente, le second organe de détente est un organe de détente de type isenthalpique,
  • le circuit de fluide à refroidir comprend, en aval de son second échange thermique avec l’échangeur d’extrémité aval froide, un second retour formant un troisième échange thermique avec l’échangeur d’extrémité aval froide et un organe de détente du fluide refroidi à l’issue de son troisième échange thermique avec l’échangeur d’extrémité aval froide tel qu’une vanne de détente de type isenthalpique,
  • le circuit de fluide à refroidir comprend, en aval de son premier échange thermique avec l’échangeur d’extrémité aval froide, un ou plusieurs organe(s) de catalyse du fluide refroidi,
  • l’échangeur d’extrémité aval froide est du type du type plaque à ailettes.
L’invention concerne également un procédé de réfrigération d’un fluide à température cryogénique, notamment de l’hydrogène, utilisant une installation selon l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous, dans lequel le fluide à refroidir est refroidi plusieurs fois par échange thermique avec l’échangeur d’extrémité aval froide.
Selon d’autres particularités possibles :
  • le fluide à refroidir est détendu successivement plusieurs fois de façon isenthalpique en aval de l’échangeur d’extrémité aval froide et refroidi entre chaque détente dans l’échangeur d’extrémité aval froide,
  • la pression d’alimentation du fluide à refroidir est comprise entre 10 et 80 bar,
  • la pression du fluide refroidi au niveau de l’extrémité aval est comprise entre 1,05 et 5 bar,
  • au niveau de l’extrémité aval du circuit de fluide à refroidir, le fluide est fourni à une pression de livraison déterminée et en ce que ledit fluide est refroidi pour atteindre au niveau de l’extrémité aval une température inférieure de 0,5 K à 5 K par rapport à la température de saturation du fluide à sa pression de livraison,
  • le procédé comporte une étape incluant une réaction exothermique en aval de l’échangeur d’extrémité aval froide,
  • le fluide à refroidir est l’un au moins parmi : H2, N2, O2, Ar, Ne, He, CH4.
L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
représente une vue simplifiée, schématique et partielle, illustrant la structure et le fonctionnement d’un premier exemple de réalisation de l’invention,
représente une vue simplifiée, schématique et partielle, illustrant un détail de la structure et du fonctionnement d’un second exemple de réalisation de l’invention,
représente une vue simplifiée, schématique et partielle, illustrant un détail de la structure et du fonctionnement d’un troisième exemple de réalisation de l’invention,
représente une vue simplifiée, schématique et partielle, illustrant un détail de la structure et du fonctionnement d’un quatrième exemple de réalisation de l’invention.
L’installation 1 de réfrigération d’un fluide à température cryogénique, notamment pour la production d’hydrogène liquide refroidi (en particulier sous-refroidi), comprend un circuit 2 de fluide à refroidir. Le circuit 2 de fluide à refroidir comprend une extrémité amont destinée à être reliée à une source 3 de fluide et une extrémité aval 4 destinée à être reliée à un organe de collecte du fluide refroidi.
L’installation 1 de réfrigération comprend un ensemble d’échangeur(s) 5, 6, 7, 8 de chaleur disposés en série en échange thermique avec le circuit 2 de fluide à refroidir de l’amont vers l’aval.
Les échangeurs 5, 6, 7, 8 de chaleur refroidissent progressivement le fluide jusqu’à sa température cible.
L’installation 1 de réfrigération comprend un dispositif 9 de refroidissement en échange thermique avec au moins une partie de l’ensemble d’échangeur(s) 5, 6, 7, 8 de chaleur. Le dispositif de refroidissement comprend un réfrigérateur 9 à circuit de cycle de réfrigération d’un gaz de cycle tel que l’hélium et/ou néon et/ l’hydrogène et/ou tout autre gaz ou mélange approprié. Le réfrigérateur 9 comprend, disposés en série dans le circuit de cycle réfrigération : au moins un organe 10 de compression du gaz de cycle (compresseur), au moins un organe 5 de refroidissement du gaz de cycle (échangeur(s) de chaleur), au moins un organe 11, 12 de détente du gaz de cycle (exemple : turbine(s)) et au moins un organe 8, 7, 6, 5 de réchauffage du gaz de cycle détendu (échangeur(s) de chaleur).
Dans l’exemple schématique de la , le réfrigérateur 9 comprend un compresseur 10 et deux turbines 11, 12. Bien entendu, cet exemple simplifié n’est nullement limitatif et tout autre type de réfrigérateur 9 est envisageable notamment en ce qui concerne le nombre et le type de compresseurs, de turbines de détente et d’échangeurs de chaleur. Par exemple, le réfrigérateur 9 est du type « Turbo Brayton » commercialisé par la demanderesse et peut réaliser un cycle thermodynamique de type « Brayton » avec un gaz de cycle comprenant ou constitué d’hélium. La partie relativement chaude du réfrigérateur comprend par exemple une succession de plusieurs (par exemple huit) compresseurs centrifuges en série, et une succession de plusieurs (par exemple quatre) turbines en série.L’ensemble d’échangeur(s) 5, 6, 7, 8 de chaleur comprend ainsi de préférence des échangeurs de chaleur à contre-courant assurant un échange de chaleur entre le fluide à refroidir et le gaz de cycle du réfrigérateur 9.
L’ensemble d’échangeur(s) de chaleur comprend en particulier un échangeur 8 d’extrémité aval froide en échange thermique avec une extrémité froide du réfrigérateur 9.
Cet échangeur 8 d’extrémité aval froide est par exemple le dernier échangeur (et le plus froid) qui refroidit le circuit 2 de fluide avant sa livraison à l’extrémité aval.
Le circuit 2 de fluide à refroidir comprend, en aval d’un (premier) échange thermique avec l’échangeur 8 d’extrémité aval froide, un premier organe 13 de détente tel qu’une vanne de détente un premier retour formant un second échange thermique avec l’échangeur 8 d’extrémité aval froide. Puis le circuit 2 de fluide à refroidir comprend en aval de son deuxième échange thermique avec l’échangeur 8 d’extrémité aval froide, un second organe 14 de détente tel qu’une vanne de détente.
La solution proposée permet de lutter contre les pertes d’efficacité au bout froid de l’installation 1 de liquéfaction en étageant la détente finale via l’intégration d’un refroidissement inter-étages de détente.
L’installation 1 est configurée pour délivrer du fluide à des conditions (pression et température) de livraison déterminées au niveau de l’extrémité aval 4 à partir d’un fluide à des conditions d’alimentation.
Dans le mode de réalisation de la , une première détente 13 à partir de la pression d’alimentation et à la température de livraison jusqu’à une pression proche de la pression de livraison peut induire un réchauffement du fluide à liquéfier (typiquement +2K). Ce réchauffement est ensuite contrebalancé par un second passage dans l'échangeur 8 d’extrémité aval froide (bout froid) afin de ramener le fluide à la température de livraison. Ensuite, une dernière détente 14 permet de livrer le fluide à la pression souhaitée à l’extrémité 4 aval.
Par soucis de simplification, dans les représentations des , [Fig. 3] et [Fig. 4], seule les parties froides du réfrigérateur 9 et du circuit 2 de fluide à refroidir ont été représentées.
Dans le mode de réalisation de la , le fluide à refroidir subit en aval une triple détente avec des refroidissements entre les étages de détente dans l'échangeur 8 d’extrémité aval froide.
Dans le mode de réalisation de la , après son premier passage dans l'échangeur 8 d’extrémité aval froide, le fluide 2 refroidi subit une catalyse 16 de type adiabatique (dans le cadre d’un liquéfacteur d’hydrogène par exemple) suivie d’une première détente 13. Le fluide réalise ensuite un second passage dans l’échangeur 8 d’extrémité aval froide suivi d’une seconde détente 14.Dans le mode de réalisation de la [Fig. 4], le fluide refroidi subit, après son premier passage dans l'échangeur 8 d’extrémité aval froide, une catalyse 16 de type adiabatique puis refroidissement (deuxième passage dans l’échangeur 8 d’extrémité aval froide) puis une première détente 13, puis un troisième passage dans l’échangeur 8 d’extrémité aval froide puis une seconde détente 14.
La solution proposée permet de corriger un réchauffement non-souhaité au niveau du bout froid du liquéfacteur 1. Ce réchauffement peut être causé par une détente (vanne(s) 13, 14 de préférence de type Joule-Thomson), et/ou par une réaction exothermique (par exemple conversion de l’isotopomère « ortho » vers « para » de l’hydrogène dans le cas de la liquéfaction d’hydrogène).Ainsi, l’installation 1 possède en aval plusieurs étages de détentes 13, 14 de préférence isenthalpiques intégrant des refroidissements quasi isobares entre les étages de détente. Ces refroidissements entre les détentes 13, 14 finales sont réalisés de préférence par un ou des passages supplémentaires pour le fluide à liquéfier de préférence uniquement dans l’échangeur 8 de chaleur d’extrémité aval froide (bout froid) et dans une plage de température restreinte. Ceci permet d’améliorer l'énergie spécifique de l’installation 1 de liquéfaction produisant un liquide sous-refroidi. Ceci permet de réduire son coût tout en proposant une solution robuste et fiable (vannes 13, 14 de détente classiquement utilisée en cryogénie).
L’échangeur 8 de chaleur d’extrémité aval est de préférence du type à plaques (par exemple du type « PFHE »).
La pression du fluide d’alimentation à liquéfier peut être comprise entre 10 et 80 bar.
La pression à l’extrémité aval 4 du liquide sous-refroidi peut être comprise entre 1,05 et 5 bar.
Le degré de sous refroidissement du fluide produit peut être entre -0,5 K et -5 K par rapport à la température de saturation à la pression de livraison.
L’installation peut être utilisée pour produire du liquide sous-refroidi à partir d’H2, N2, O2, Ar,Ne, He, CH4.
La solution est plus robuste et moins coûteuse que selon l’art antérieur tout en réduisant l'énergie spécifique du liquéfacteur de fluide cryogénique.

Claims (13)

  1. Installation de réfrigération d’un fluide à température cryogénique, notamment pour la production d’hydrogène liquide sous-refroidi, comprenant un circuit (2) de fluide à refroidir comprenant une extrémité amont destinée à être reliée à une source (3) de fluide et une extrémité aval (4) destinée à être reliée à un organe de collecte du fluide refroidi, l’installation (1) de réfrigération comprenant un ensemble d’échangeur(s) (5, 6, 7, 8) de chaleur disposés en série en échange thermique avec le circuit (2) de fluide à refroidir de l’amont vers l’aval, l’installation (1) de réfrigération comprenant un dispositif (9) de refroidissement en échange thermique avec l’ensemble d’échangeur(s) (5, 6, 7, 8) de chaleur, le dispositif (9) de refroidissement comprenant un réfrigérateur à circuit de cycle de réfrigération d’un gaz de cycle tel que l’hélium et/ou l’hydrogène et/ou le néon, le réfrigérateur (9) comprenant, disposés en série dans le circuit de cycle réfrigération : au moins un organe (10) de compression du gaz de cycle, au moins un organe (5) de refroidissement du gaz de cycle, au moins un organe (11, 12) de détente du gaz de cycle et au moins un organe (8, 7, 6, 5) de réchauffage du gaz de cycle détendu, l’ensemble d’échangeur(s) (5, 6, 7, 8) de chaleur comprenant un échangeur (8) d’extrémité aval froide en échange thermique avec une extrémité froide du réfrigérateur (9), le circuit (2) de fluide à refroidir comprenant, en aval de son échange de chaleur avec l’échangeur (8) d’extrémité aval froide, c’est-à-dire entre l’ensemble d’échangeur(s) (5, 6, 7, 8) de chaleur et l’extrémité aval (4) du circuit (2) de fluide à refroidir, un organe (13) de détente du fluide refroidi, l’installation (1) étant caractérisée en ce que le circuit (2) de fluide à refroidir comprend en aval de son premier échange thermique avec l’échangeur (8) d’extrémité aval froide, un premier retour formant un second échange thermique avec l’échangeur (8) d’extrémité aval froide et un organe (14) de détente du fluide refroidi à l’issue de son second échange thermique avec l’échangeur (8) d’extrémité aval froide tel qu’une vanne de détente.
  2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit (2) de fluide à refroidir comprend, en aval de son premier échange thermique avec l’échangeur (8) d’extrémité aval froide, un premier organe (13) de détente tel qu’une vanne de détente, le circuit (2) de fluide à refroidir comprenant en aval de son deuxième échange thermique avec l’échangeur (8) d’extrémité aval froide, un second organe (14) de détente tel qu’une vanne de détente.
  3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce qu’au moins l’un parmi le premier organe (13) de détente, le second organe (14) de détente est un organe de détente de type isenthalpique.
  4. Installation selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le circuit (2) de fluide à refroidir comprend, en aval de son second échange thermique avec l’échangeur (8) d’extrémité aval froide, un second retour formant un troisième échange thermique avec l’échangeur (8) d’extrémité aval froide et un organe (15) de détente du fluide refroidi à l’issue de son troisième échange thermique avec l’échangeur (8) d’extrémité aval froide tel qu’une vanne de détente de type isenthalpique.
  5. Installation selon l’une quelconque des revendication 1 à 4, caractérisée en ce que le circuit (2) de fluide à refroidir comprend, en aval de son premier échange thermique avec l’échangeur (8) d’extrémité aval froide, un ou plusieurs organe(s) (16) de catalyse du fluide refroidi.
  6. Installation selon l’une quelconque des revendication 1 à 5, caractérisée en ce que l’échangeur (8) d’extrémité aval froide est du type du type plaque à ailettes.
  7. Procédé de réfrigération d’un fluide à température cryogénique, notamment de l’hydrogène, utilisant une installation selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le fluide à refroidir est refroidi plusieurs fois par échange thermique avec l’échangeur (8) d’extrémité aval froide.
  8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que dans lequel le fluide à refroidir est détendu successivement plusieurs fois de façon isenthalpique en aval de l’échangeur (8) d’extrémité aval froide et refroidi entre chaque détente dans l’échangeur (8) d’extrémité aval froide.
  9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la pression d’alimentation du fluide à refroidir est comprise entre 10 et 80 bar.
  10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la pression du fluide refroidi au niveau de l’extrémité aval (4) est comprise entre 1,05 et 5 bar.
  11. Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que, au niveau de l’extrémité aval (4) du circuit (2) de fluide à refroidir, le fluide est fourni à une pression de livraison déterminée et en ce que ledit fluide est refroidi pour atteindre au niveau de l’extrémité aval (4) une température inférieure de 0,5 K à 5 K par rapport à la température de saturation du fluide à sa pression de livraison.
  12. Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu’il comporte une étape incluant une réaction exothermique en aval de l’échangeur (8) d’extrémité aval froide.
  13. Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que le fluide à refroidir est l’un au moins parmi : H2, N2, O2, Ar, Ne, He, CH4.
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