Chapitre_4_Procédés_Cryogéniques.pdf

CHAPITRE IV : PROCÉDÉS CRYOGÉNIQUES

1

I – EXEMPLES INTRODUCTIFS ET CONTEXTE Liquéfaction des hydrocarbures légers (100 à 190 K) Liquéfaction de l’air et séparation des constituants de l’air (50 à 100 K) Liquéfaction de H2 et vide supra (10 à 50 K) Liquéfaction de He et supraconductivité (< 10 K)

2

INSTALLATION DE LIQUÉFACTION DU MÉTHANE Terminal méthanier : refroidissement et liquéfaction préalable au transport (QF = 200 MW) Chargement : 4 jours Source : WWW 401 Source : WWW 402

Transport sous forme liquide (≈ 1 atm et –161°C) 75 000 tonnes 150 000 m3 GNL 90 000 000 m3 gaz NTP 3

LIQUÉFACTION ET DISTILLATION DE L’AIR Unité industrielle de liquéfaction et de séparation par distillation des gaz de l’air Réservoirs séparés de stockage pour l’azote liquide et l’oxygène liquide Applications en métallurgie, santé, micro-électronique, environnement… Source : WWW 403

4

AZOTE ET OXYGÈNE LIQUIDES – GAZ PURS Azote et oxygène liquide, argon et autres gaz purifiés Métallurgie, santé, micro-électronique, environnement, propulsion…

Source : WWW 404

Source : WWW 405

5

Moteur cryogénique Vulcain du lanceur Ariane 5

Source : WWW 409

HYDROGÈNE LIQUIDE

Station service prototype

Source : WWW 406

Source : WWW 407

Source : WWW 408

6

HÉLIUM LIQUIDE Collisionneur LHC du CERN à Genève Aimants supraconducteurs température d’exploitation = 1,9 K

Hélium liquide

Source : WWW 411

Source : WWW 410

7

II – DONNÉES THERMODYNAMIQUES DIAGRAMMES ET TRAJETS Équations d’état très spécifiques pour les très basses température Utilisation des profils thermodynamiques « généraux » proposés par les logiciels de simulation (ProSim, Aspen et similaire) avec circonspection Préférer les bases de données et modèles « propriétaire » (Praxair, Air Liquide, Air Products, Linde…) Divers diagrammes et bases de données thermo Coolpack…

8

1 – DIAGRAMME DE PHASES Supercritique Pression

Solide

Liquide

Hypercritique

Spécificité liée à ce que les fluides manipulés sont disponibles dans le domaine hypercritique

Triple Vapeur Température 9

COORDONNÉES CRITIQUES P (bar)

T (K)

Méthane

45,96

190,45

33,19

Ethane

48,84

305,35

Dioxyde de carbone

73,83

304,21

Eau

220,64

647,10

P (bar)

T (K)

Hélium 4

2,27

5,20

Hydrogène

13,13

Azote

34,00

126,20

Oxygène

50,43

154,58

Argon

48,98

150,86

Air

37,71

132,55

10

POINTS TRIPLES P (bar) Hélium 4 Hydrogène

T (K)

≈ 90

13,85

Ethane

≈ 90

Dioxyde de carbone

Azote

0,1253

63,16

Oxygène

0,00152

64,22

Argon

0,687

103,28

Air

T (K)

Méthane

N’existe pas 0,072

P (bar)

≈ 63

Eau

5,184

216,55

0,00612 273,16

11

HÉLIUM SUPERFLUIDE Quand T < 2,17 K : superfluide 4He = boson (3He = fermion) Bosons : particules dans des états quantiques particuliers absence d’interaction entre atomes
absence de viscosité Source : WWW 412

"YouTube helium superfluid" http://www.youtube.com/ watch?v=2Z6UJbwxBZI

12

2 – DIAGRAMME ENTHALPIQUE DU MÉTHANE

Source : COOLP 301

Critique P = 46,0 bar t = – 82,7°C

13

LOGICIEL COOLPACK Calcul de points Tracé de diagrammes R50 (CH4) R170 (C2H6) R744 (CO2) R728 (N2) R732 (O2) R740 (Ar) R729 (Air) http://www.ipu.dk/English/IPUManufacturing/Refrigeration-and-energytechnology/Downloads/CoolPack.aspx

DTU Lyngby

(DK)

Téléchargement libre
version 1.50 Source : COOLP 301

14

3 – DIAGRAMMES DE L’AIR

Source : COOLP 301

Pseudocritique P = 37,7 bar t = – 140,6°C

N2 plus volatile que O2 Si t = – 183°C N2 : PSat = 3,655 bar O2 : PSat = 1,009 bar

15

Source : COOLP 301

DIAGRAMME ENTROPIQUE DE L’AIR

isenthalpe

Allure des isenthalpes à haute pression Refroidissement possible par détente isenthalpe si T < – 100°C

16

25 K

Source : WWW 413

4 – DIAGRAMME T-s DE L’HÉLIUM (NBS) Enthalpie résiduelle ≈ nulle à T > 20 K Pas de refroidissement possible par détente isenthalpe si T > 20 K

20 K

15 K

10 K

Critique P = 2,27 bar t = – 267,95°C

5K 17

3K

III – CYCLES THERMODYNAMIQUES POUR LA LIQUÉFACTION Etudier les évolutions thermodynamiques des fluides qui permettent leur liquéfaction Source : WWW 415 Source : WWW 414

Liquéfaction de l’air

Liquéfaction des hydrocarbures 18

1 – TRAVAIL THÉORIQUE MINIMUM Température (°C) 25 0

– 100 – 125

1

Détente isentrope

– 75

25°C 1 atm

Q0 à T0

– 25 – 50

Compression isotherme

4

Source : COOLP 301

Exemple de l’air Comp. isotherme Détente isentrope Le travail théorique minimum vaut la variation d’exergie

w A = (h3 − h1 ) − T0 (s3 − s1 ) w A = ex 3 - ex1

– 150

– 194,4°C – 175 1 atm

2

3

– 200 0

1000

2000

3000

Entropie (J/kg/K) 19

2 – CYCLES À RENDEMENT THÉORIQUE MAXIMUM Voir chapitre II – Installations motrices à vapeur – § IV-2-2 Cas d’un gaz parfait

(

δQ = ϕ(T) dT = dU + P dV = n c V dT + (c P − c V )T V dV

)

Cycle de Carnot ⇒ ϕ(T) = 0 Cycle de Stirling ⇒ ϕ(T) = n c V (isotherme , isochore) Cycle de Ericsson ⇒ ϕ(T) = n c P (isotherme , isobare) T

B

TC TF

A

QC

QF

C

Les trajets B
A et C
D doivent se déduire l’un de l’autre par translation horizontale !

D s

Céder en un point du cycle la chaleur prélevée en un autre point, à même température

20

MOTEUR STIRLING ET GÉNÉRATEUR STIRLING Moteur Stirling (Voir Chapitre II – § IV-2-2) Source chaude (flamme)

QC

Stirling (gaz)

QF

Source froide (ambiante)

W

Générateur thermodynamique Stirling Source chaude (ambiante)

QC

Stirling (He) W

QF

Source froide (air liquide) 21

CYCLE DE STIRLING (1)

QC

Détente

Ne pas confondre avec le moteur à cycle de Stirling P (qui produit du travail) B Cycle décrit dans le sens QI horaire Ici, on utilise un cryocooler A ou réfrigérateur (qui consomme du travail) et permet de faire passer de la chaleur (QF) d’une source froide vers une source chaude (QC) Cycle décrit dans le sens antihoraire

Comp.

C

QF

TCh

D TFr

QI

V

22

CYCLE DE STIRLING (2)

P B

C

A

Comp.

QI

QC

Détente

Fluide non condensable (H2 ou He) Compression isotherme Refroidissement isochore Détente isotherme Réchauffement isochore QC échangé avec de l’eau (ambiante) QI échangé au sein du cycle (régénérateur) QF – source froide (– 195°C) – utilisé pour liquéfier de l’air à pression atmosphérique

QF

TCh

D TFr

QI

V

23

CYCLE DE STIRLING (3) Position Piston A

PA R

1-2 – Compress. isotherme

Source : VICH 401

Position Piston B 2-3 – Refroidiss. isochore

3-4 – Dét. isotherme

PB

PA R

QI

PA

PB QF

PA

PB

QC

R PB

Volume (PA – PB) 4-1 – Réchauff. isochore

QI

PA

PB 24

MACHINE DE PHILIPS À CYCLE DE STIRLING (1)

QI

P B Détente

QI

QC

C

A

QF

Condensation de l’air au contact de la culasse froide

Comp.

Source : WWW 263

Piston compresseur (supérieur) Piston balayeur (inférieur) Le gaz traverse le régénérateur (fil de cuivre – φ = 20 µm – 800 m/cm3) en passant d’un compartiment à l’autre

QF

TCh

D TFr

QI

V

Eau de

QC refroidissement

25

MACHINE DE PHILIPS À CYCLE DE STIRLING (2) Source : VICH 401

1 Piston compresseur 2 Bielle principale 3 Bielle du balayeur 4 Réfrigérant à eau 5 Régénérateur (fil cuivre) 6 Piston balayeur 7 Culasse de condensation 8 Réservoir d’hélium 9 Moteur électrique

26

CRYOCOOLERS STIRLING 50 à 100 K – 0,5 Watt froid Vision nocturne, guidage de missiles… Information publiée tronquée... Alim. électrique 12 ou 24 Volts InfraRed Associates Compressor, regenerator … Helium, 50 à 100 K Air Liquide Pulse tube Stirling cryocooler 2 pistons oscillants en opposition avec moteurs linéaires Piston déplaceur sur ressort en oscillation à sa fréquence propre Hélium, 10 à 80 K

Source : WWW 416

Source : WWW 417

27

3 – CYCLE À DÉTENTE SIMPLE (LINDE) Cas de l’air

Température (°C)

25°C 1 atm

25

2

Source : COOLP 301

Compression 0 isotempérature – 25 à ≥ 100 bar – 50 Echangeur – 75 froid – 100 Détente isenthalpe – 125 Séparation – 150 – 194,4°C 2 phases – 175 1 atm Recyclage – 200 5 0 du refus de liquéfaction

Compression

1

3

Entropie (J/kg/K)

Séparation 1000

2000 4

6 3000

4000 28

MACHINE DE LINDE (1895) Grand prix de l’exposition universelle (Paris – 1900)

Source : WWW 419

Source : WWW 418

29

SCHÉMA DU CYCLE À DÉTENTE SIMPLE Compression refroidie à ≥ 100 bar (Débit m) Echangeur froid gain thermique V (Q = m q) 4 si mal isolé Séparateur Détente 6 isenthalpe Séparation 2 phases 5 Recyclage du refus Production de liquéfaction (Débit mL)

3

QRef

2

Ref. Echangeur « boîte » froide

Compression multiétagée refroidie

W

K

Q 1 Refus recyclé (Débit m – mL)

Alimentation (Débit mL)

Performance limitée 30

CYCLE À DÉTENTE SIMPLE EN DIAGRAMME Log(P)-h Trajet transcritique 3 2

132,55 K 37,7 bar

Production

Détente vanne

Source : COOLP 301

Fluide supercritique

Boîte froide Gaz recyclé

1

Séparateur gaz-liquide

5

4 6

31

RENDEMENT DU CYCLE À DÉTENTE SIMPLE y = fraction liquéfiée 4−6

mL y= = 5−6 m Bilan sur la partie froide (boîte, détente et séparateur ) (refus totalement réchauffé) mL h5 + (m − mL ) h1 − m h2 = m q

( h1 − h2 ) − q y= (h1 − h5 )

Importance de l’isolation de la boîte froide Importance de diminuer h2 : augmenter la pression (cf. isenthalpes), mais WComp augmente ! 32

SCHÉMA DU CYCLE À DÉTENTE FRACTIONNÉE (Débit m)

3

Echangeur « boîte » froide

V1

Boîte froide non détaillée : échangeur multi-circuits

7

W2

K2 10

Sépa. 1 9 8 V2

Q

4’

Performance améliorée

2

Compression Qref,2 multiétagée refroidie Ref.

Ref.

Compression multi-étagée refroidie

Sépa. 2 6

K1

Qref,1 W1

5 Production (Débit mL)

1 Alimentation (Débit mL) 33

CYCLE À DÉTENTE FRACTIONNÉE

Production

2 Recyclage MP

7 Détente 2

8

3 Détente 1

Source : COOLP 301

Recyclage partiel à pression intermédiaire

9

4’

10

Recyclage BP

1

Séparateur gaz-liquide

5

Boîte froide

Boîte froide

4 6

34

4 – CYCLE À EXPANSION (CLAUDE) G. Claude (1902) Co-fondateur de la société Air Liquide V

Echangeur boîte froide et moteur de détente

3

Qref

2 Ref.

Compression multiétagée refroidie

3’

4

K

Séparateur 6

5

WK

T 1

Production (Débit m’L)

WT

Q

Refus recyclé (Débit m – m’L)

Alimentation (Débit m’L)

35

TRACÉ DU CYCLE À EXPANSION Cas de l’air

Température (°C)

25°C 1 atm

25

2

Source : COOLP 301

2 détentes 0 Détente adiab. en parallèle – 25 irrev. avec W Détente – 50 avec travail sur une partie (domaine gaz) Détente H 3 – 125 Détente isenthalpe – 150 – 194,4°C sur l’autre – 175 1 atm partie – 200 5

0

1000

1

3’

Entropie (J/kg/K) 4

2000

6

3000

4000 36

RENDEMENT DU CYCLE À EXPANSION y' = fraction liquéfiée 4−6

m' L y' = = 5−6 m Bilan sur la partie froide (boîte, moteur , vanne et séparateur ) (refus totalement réchauffé) m'L h5 + (m − m'L ) h1 − m h2 = m q + W −W y' = y + (h1 − h5 ) y' > y (W < 0)

Meilleure performance pour un débit au compresseur inchangé ! Permet de diminuer la pression en sortie du compresseur 37

CYCLE À EXPANSION EN DIAGRAMME Log(P)-h Cas de l’air 3

3'

132,55 K 37,7 bar

Production

Détente vanne

Source : COOLP 301

2

Boîte froide Alimentation

1 5

4

6

38

CYCLE À MOYENNE PRESSION

Source : COOLP 301

Permet un fonctionnement à plus basse pression Pas de passage dans le domaine supercritique 3'

3 132,55 K 37,7 bar

Production

Détente vanne

2

Alimentation

6 5

4

1 39

IV – ORGANES SPÉCIFIQUES POUR LA CRYOGÉNIE Turbines cryogéniques Échangeurs cryogéniques Réservoirs et cryostats Source : WWW 420 Source : WWW 421

Source : AL 401

40

1 – TURBINES CRYOGÉNIQUES Source : WWW 424

Cryo-expander conventionnel

Source : WWW 422

Paliers magnétiques (30 000 rpm – 300 kW)

Paliers hydrodynamiques à gaz

Habituellement associé à un alternateur électrique ou un compresseur 41

Source : WWW 423

CRYO-EXPANDER DIPHASIQUE ET ALTERNATEUR Source : WWW 426

Source : WWW 427 Source : WWW 425

Diphasique Mélange liquidevapeur en sortie

Couplés à un alternateur

Monophasique 42

CRYO-EXPANDERS EN PLACE

Cryo-expander et alternateur à l’entrée de la boîte froide

Source : WWW 428

Source : WWW 429

Cryo-expander et compresseur dans l’industrie du gaz naturel 43

Faisceaux de tubes Cu ou Al enroulés en hélice autour d’un noyau central en plusieurs nappes Très grande compacité et grande surface d’échange Possibilité de 3 fluides ou davantage

Source : TI 401

2 – ÉCHANGEURS BOBINÉS ET À PLAQUES

Dans l’exemple A = calandre B = tubes C = tubes 44

ÉCHANGEUR À TUBES EN COURS DE BOBINAGE Source : AL 401

Voir TI – J 3 601 – 11 à 13 Liquéfaction méthane φ=5m Zone échange h = 55 m Tubes rainurés 2 Aire = 40 000 m ∆T ≤ 5 K

Connexions Tubes lisses Source : WWW 430

45

ÉCHANGEURS À TUBES SPIRALÉS PUIS BOBINÉS Source : AL 401

Gradient d’échange entre tubes et calandre inférieur à 0,5 K Cryogénie H2 ou He Existe avec plusieurs nappes de spirales Dans l’exemple, faisceau de 6 tubes spiralés puis bobinés 46

ÉCHANGEURS À PLAQUES

Source : WWW 431

Plaques à ondes soudées (Fives Nordon) Plaques spiralées (Air Liquide) ∆T : 2 à 5 K Source : AL 401

Source : WWW 432

47

3 – RÉSERVOIRS ET CRYOSTATS Isolants spécifiques perlite expansée (silicate) ou verre expansé mousse polyvinylique à cellules fermées (Klegecell) Super-isolants écrans réflecteurs en polyéthylène téréphtalate (Mylar)

Source : TI 402

48

RÉSERVOIRS ET CRYOSTATS

Source : WWW 433

Parois spécifiques inter-parois maintenues sous vide doubles parois refroidies à l’azote liquide

Source : TI 403

49

V – PROCÉDÉS INDUSTRIELS DE LIQUÉFACTION Revue des procédés réellement utilisés au plan industriel Source : WWW 415 Source : WWW 414

Liquéfaction de l’air

Liquéfaction des hydrocarbures 50

1 – PRODUCTION DE L’AIR LIQUIDE ET SÉPARATION Procédé global permettant de liquéfier l’air puis de séparer, par distillation sur 2 colonnes à plateaux, l’azote, l’oxygène et l’argon

Même procédé utilisé partout

Source : WWW 434

Brevet G. Claude (Air Liquide) en 1902

51

ÉQUILIBRE LIQUIDE-VAPEUR DE L’AIR À – 183°C DÉTERMINATION DE LA CONDITION DE BULLE 93% N2 (92%)* 7% O2 (8%)* 1ère bulle vapeur

Liquide 21% O2 79% N2 t = – 183°C P = 3,10 bar (3,06 bar)*

Vapeur enrichie en diazote ! Fugacités dans le liquide fi,L = xi . PSati (mélange idéal) fO2,L = 0,2119 bar (PSatO2 = 1,009 bar) fN2,L = 2,8875 bar (PSatN2 = 3,655 bar) Fugacités dans la vapeur fi,V = fi,L (équilibre) P = fO2,V + fN2,V = 3,099 bar fi,V = yi . P (hypothèse gaz parfait) yO2 = 0,068 yN2 = 0,932

* : (SRK-MHV2-UNIFAC)

52

ÉQUILIBRE LIQUIDE-VAPEUR DE L’AIR À – 183°C DÉTERMINATION DE LA CONDITION DE ROSÉE Liquide enrichi en dioxygène ! Vapeur 79% N2 21% O2

1ère goutte liquide 49% O2 (47%)* 51% N2 (53%)*

Fugacités dans la vapeur fi,V = yi . P (hypothèse gaz parfait) Fugacités dans le liquide fi,L = fi,V (équilibre) fi,L = xi . PSati (mélange idéal) Sat x O2 .PO2 y O2 = = Sat fN2,V y N2 (1- x O2 ).PN2 xO2 = 0,490 (PSatO2 = 1,009 bar) xN2 = 0,510 (PSatN2 = 3,655 bar)

fO2,V

t = – 183°C P = 2,36 bar (2,37 bar)* * : (SRK-MHV2-UNIFAC) P = fO2,V + fN2,V = 2,357 bar

53

LAR

LOX

LIN

Source : D&I 401

1 Filtre 2 Compresseur d’air 3 Réfrigérant 4 Echangeur 5 Cycle de production de froid (2 détentes // avec et sans W) 6 Colonnes à plateaux (cond. MP et bouill. BP communs) 7 Production d’argon 8 Stockage LAR, LOX et LIN BP ≈ 1,5 atm MP ≈ 5 à 6 atm

54

DÉTAILS DE FONCTIONNEMENT (1) Colonne MP Alimentée en gaz froid en pied et en liquide (vanne de détente) en tête Résidu : liquide enrichi en O2 en pied Distillat liquide : N2 pur en tête Colonne BP Alimentée en liquide riche en O2 provenant de la colonne MP Deuxième alimentation liquide en tête (reflux liquide) Résidu : liquide O2 pur en pied Zone riche en argon : soutirage Ar et retour Distillat gaz : air appauvri en O2 en tête Condenseur colonne MP refroidi par bouilleur colonne BP Bouilleur colonne BP chauffé par condenseur colonne MP

55

DÉTAILS DE FONCTIONNEMENT (2) Section Argon Colonne d’enrichissement en argon Convertisseur (O2 + CH4
CO2 + 2 H2O) Colonne séparation Ar, CO2 et H2O Section échangeurs Echangeurs à plaques à 2 ou 3 circuits Boîte froide Tous les éléments sont isolés thermiquement et disposés pour limiter les échanges thermiques avec l’extérieur

56

Source : WWW 435

AUTRE SCHÉMA DE RÉALISATION (1)

57

Source : WWW 436

AUTRE SCHÉMA DE RÉALISATION (2)

AC : air compressor CAr : crude argon distillation column CET : cold expansion turbine DEOXO : deoxygenating unit GAN : gaseous nitrogen GOX : gaseous oxygen

HE : heat exchanger HET : hot expansion turbine LAR : liquid argon LC : lower column LIN : liquid nitrogen LOX : liquid oxygen

MHE : main heat exchanger PA : pure argon distillation column PG : purge gas SC : spray cooler TV : throttling valve UC : upper column 58

2 – LIQUÉFACTION DU GAZ NATUREL Procédé à cascades Phillips (Voir TI – J 3 601 – 4 à 6) Evap. C3H8 Condens. C2H4 Refroid. C2H4 et GN

Evap. C2H4 Cond. CH4 et GN

Source : TI 404

Evap. CH4 Refroid. GNL

59

DÉTAILS DE FONCTIONNEMENT Machine frigo Propane Tri-étagée – flash intercooling (cf. Chapitre III – § III-2-3) Condensation éthylène Refroidissement méthane et gaz à liquéfier à – 35°C Machine frigo Ethylène Tri-étagée Condensation méthane Condensation gaz à liquéfier à – 100°C et 26 bar Machine frigo Méthane Sous-refroidit GNL à – 150°C Détente isenthalpe Production à -160°C et 1,15 bar Recyclage du refus de liquéfaction 60

DIAGRAMME ENTHALPIQUE DU MÉTHANE

Source : COOLP 301

– 82,59°C 45,99 bar

3

Production

5 4

Détente vanne

Echangeurs E1, E2 et E3

6

2

1 61

PROCÉDÉ AIR PRODUCTS À PROPANE ET MÉLANGE RÉFRIGÉRANT Echangeur bobiné double

Pré-refroid. Cycle propane

Source : TI 309

62

DÉTAILS DE FONCTIONNEMENT Machine frigo Propane Quadri-étagée – flash intercooling (cf. Chapitre III – § III-2-3) Refroidissement gaz à liquéfier à – 35°C Condensation partielle du « mélange réfrigérant – MR (CH4, C2H4 et C2H6) » Machine frigo Mélange Réfrigérant Echangeur bobiné Hauteur > 50 m Détente du liquide MR
froid Refroidissement du gaz MR et condensation Détente de cette fraction
froid à plus basse température (partie haute de l’échangeur bobiné) Refroidissement et condensation du gaz à liquéfier sous pression ambiante 63

Source : TI 405

PROCÉDÉ LIQUEFIN À DEUX MÉLANGES RÉFRIGÉRANTS

64

DÉTAILS DE FONCTIONNEMENT Machine frigo Mélange Réfrigérant lourd Mélange réfrigérant – MR1 (C3H8, C4H10, C5H12 et alcènes…) Tri-étagée – flash intercooling Refroidissement gaz à liquéfier à – 40 ou – 45°C Condensation totale du MR léger Machine frigo Mélange Réfrigérant léger Mélange réfrigérant – MR2 (CH4, C2H4 et C2H6) Mono-étagé Echangeur à plaques Multi-circuits et multi-zones (boîte froide) Détente du liquide MR2 léger
froid Refroidissement et condensation du gaz à liquéfier sous pression ambiante 65

3 – PRODUCTION DE L’HYDROGÈNE LIQUIDE Liquéfacteur HYLIAL (Air Liquide) 1 000 L/h Pré-refroidissement azote Boucle hélium Turbines à paliers gaz Voir TI – J 3 603 – 2 à 9 H2 ortho : spin d’électrons parallèles H2 para : spin d’électrons antiparallèles Ambiante : 75% ortho et 25% para Froid : 100% para Ortho
Para : réaction lente et exothermique

Source : WWW 437

66

Alimentation H2

Echangeur "boîte froide"

Pré-refroidiss. fréon

Pré-refroidiss. azote

Boucle hélium

Catalyseur Ortho
Para

Production H2

Détente isenthalpe Source : TI 406

67

Alimentation H2

Pré-refroidiss. azote

Echangeurs chaleur + cata

Détentes turbines

Détendeur à éjecteur

Boucle hydrogène

Production H2

Détente vanne Source : WWW 438

68

DÉTAILS DE FONCTIONNEMENT Catalyseur Fe/Cr dans les échangeurs pour favoriser la conversion ortho
para Pré-refroidissement fréon puis azote Boucle de refroidissement H2 (ou He). Théoriquement, le fluide traité pourrait jouer ce rôle. La boucle séparée procure un fonctionnement plus stable Enthalpie résiduelle très faible si T > 50 K (20 K pour He) Obligation de détendre avec travail (cryo-expander) pour atteindre cette température Détente isenthalpe vanne seulement à température plus faible Détendeur à éjecteur : ré-aspire les vapeurs du stockage Boite froide : échangeurs à plaques ou bobinés (Air Liquide) 69

4 – PRODUCTION DE L’HÉLIUM LIQUIDE Liquéfacteur HELIAL (Air Liquide) Jusqu’à 300 L/h Pré-refroidissement azote Turbines à paliers gaz sans contact (150 à 200 000 rpm) Peu de données disponibles Voir TI – J 3 605 – 9 à 13 Comportement complexe (superfluide) en dessous de 2,17 K Source : WWW 439

70

Compresseur He

Pré-refroidiss. azote

Echangeurs de chaleur

Détente turbine

Production He

Détente isenthalpe Source : WWW 440

71

Source : WWW 441

72

DÉTAILS DE FONCTIONNEMENT Pré-refroidissement azote Pas de boucle de refroidissement séparée (sur le schéma) Détente du fluide traité lui-même Enthalpie résiduelle très faible si T > 20 K Obligation de détendre avec cryo-expander pour atteindre cette température Détente vanne (enthalpie constante – Joule-Thompson) seulement à température plus faible Boite froide : échangeurs à plaques ou bobinés (Air Liquide) Voir TI – J 3 605 – 9 à 13

73

5 – LA NEIGE CARBONIQUE Point triple du CO2 supérieur à la pression atmosphérique Equilibre solide – vapeur à P = 1 atm et t = –56,57°C Détendre en traversant le point triple

Source : WWW 442

Source : WWW 443

Neige carbonique compressée et extrudée 74

75

DIAGRAMME PRESSION ENTHALPIE Source : RAZN 401

P Point critique

Détente 3

Neige produite

Détente 2

Point triple

Détente 1

Condensation

Traversée point triple

Alimentation CO2 gaz

h 76

VI – CONCLUSIONS DU CHAPITRE Domaine industriel important et en expansion Domaine extrêmement spécifique (matériels et procédés) Très petit nombre d’acteurs pour la cryogénie (Air Liquide, Air Products, Linde, Messer, Praxair…) Acteurs spécialisés dans le GNL (Technip Axens, Shell, Air Products, Linde…) Procédés devenus classiques pour le gaz naturel et pour l’air et collaboration entre les acteurs Savoir-faire très spécifiques pour la liquéfaction de H2 et He. Secrets du design des procédés préservé

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