FR3147620A1 - Procédé et installation de vaporisation du CO2 liquide et de fourniture de CO2 gazeux à un poste utilisateur - Google Patents

Procédé et installation de vaporisation du CO2 liquide et de fourniture de CO2 gazeux à un poste utilisateur Download PDF

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Abstract

Un procédé d’alimentation en CO2 gazeux d’un poste utilisateur (30) de ce CO2 gazeux ou d’un mélange de gaz comportant du CO2 gazeux, poste situé sur un site producteur, selon lequel : On dispose d’un réservoir de CO2 liquide (21), raccordé audit poste utilisateur de ce CO2 gazeux ou d’un mélange de gaz comportant du CO2 gazeux, lequel réservoir contient, sous une pression de stockage supérieure à la pression atmosphérique, du CO2 en phase liquide au fond du réservoir et en phase gazeuse au sommet du réservoir ;On alimente le poste utilisateur en gaz en soutirant du CO2 liquide en partie basse du réservoir et en procédant à la vaporisation de ce CO2 liquide sur une ligne reliant le réservoir au poste utilisateur ; où lorsque le niveau de liquide varie à l’intérieur du réservoir, entrainant une variation de pression dans le ciel gazeux du réservoir, on procède le cas échéant à une repressurisation de ce ciel gazeux en prélevant du liquide cryogénique du bas du réservoir, en vaporisant ce liquide prélevé, et en envoyant le gaz ainsi produit dans le ciel gazeux du stockage ; se caractérisant en ce que  ladite vaporisation du CO2 liquide permettant d’alimenter le poste utilisateur en gaz et ladite vaporisation du CO2 liquide prelevé en bas de réservoir pour repressuriser le ciel gazeux du réservoir  sont toutes deux réalisées au sein d’un même et unique échangeur de chaleur (23). Figure de l’abrégé : Fig. 2

Description

Procédé et installation de vaporisation du CO2liquide et de fourniture de CO2gazeux à un poste utilisateur
L’invention concerne les stockages dits « vracs » de liquides cryogéniques, par exemple de CO2liquide, qui nécessitent un équipement permettant de les maintenir en pression.
En effet, le soutirage de liquide du stockage entraîne classiquement une chute trop rapide et/ou importante de la pression dans le réservoir (dans le ciel gazeux surplombant le liquide).
En général, la repressurisation est réalisée grâce au prélèvement d’un peu de liquide cryogénique depuis le bas de réservoir, pour le vaporiser et le renvoyer dans le ciel du stockage.
Classiquement, ce système de repressurisation utilise de l’électricité pour réaliser la vaporisation du liquide cryogénique, sous la forme d’un réchauffeur/vaporiseur électrique.
Or, considérons dans ce qui suit le cas du CO2liquide : la finalité de ce CO2liquide est dans la grande majorité des applications d’être vaporisé, pour alimenter un poste utilisateur final, par exemple une application du CO2dans le domaine de l’alimentaire, par exemple une application de carbonatation de boissons.
On sait alors que différentes solutions techniques sont couramment utilisées pour réaliser une telle vaporisation du CO2liquide, et l’on connaît notamment des solutions où cette vaporisation est réalisée par l’intermédiaire d’un échangeur, alimenté par une source de chaleur ou d’énergie, telle l’air, la vapeur, l’eau chaude, l’électricité, il peut donc là aussi s’agir d’un réchauffeur/vaporiseur électrique comme celui évoqué ci-dessus pour repressuriser un réservoir. Celui-ci (électrique) peut, dans certaines situations, être choisi de préférence à un évaporateur/échangeur utilisant l’air ambiant, qui peut être froid en hiver (en effet, si la température ambiante est trop basse, l’écart de température avec le CO2liquide (-25 à -30°C en général) n’est plus assez grand pour permettre une évaporation du CO2liquide dans les équipements de taille raisonnable, il faut alors fortement augmenter la surface d’échange d’évaporateurs atmosphériques de type tubes à ailettes par exemple).
Cela peut donc nécessiter pour l’opération d’un tel réservoir vrac de CO2liquide, de mettre en œuvre un certain nombre d’équipements, qu’ils soient de même type ou de types différents (donc pour repressuriser le réservoir d’une part et pour vaporiser le liquide vers le poste utilisateur d’autre part), ce qui implique dans tous les cas un effort important en terme d’investissement.
Or, on peut noter par ailleurs le fait que l’équipement de repressurisation et l’évaporateur principal marchent de pair, c’est-à-dire que le besoin maximum en chaleur est concomitant : c’est lorsque le besoin en CO2gazeux est maximum au poste utilisateur final que l’évaporateur principal consomme le maximum de chaleur, et qu’alors la perte de pression dans le réservoir est la plus rapide, et doit être compensée par la marche maximale du système de repressurisation.
Un des objectifs de la présente invention est alors de proposer une solution à la problématique décrite ci-dessus.
Pour cela, comme on le verra plus en détails dans ce qui suit, la présente invention propose d’utiliser un équipement unique pour à la fois remettre en pression le réservoir et pour réaliser l’évaporation d’un flux de CO2liquide pour alimenter en gaz une application finale, un poste utilisateur de CO2ou d’un mélange gazeux comportant du CO2.
On pourrait bien sur envisager l’utilisation d’un évaporateur unique, et une petite partie du flux évaporé pourrait être renvoyé dans le ciel du stockage afin de le repressuriser.
On aurait alors certes des gains en termes :
  • d’investissement (un seul équipement). Certes, son coût ne repose pas que sur sa taille mais repose aussi sur le nombre d’équipements accessoires (comme les vannes, les sécurités…) qui sont nécessaires à la bonne marche de l’équipement. En utilisant un seul évaporateur, on gagne beaucoup sur l’investissement puisque le nombre d’équipements et la main d’œuvre associée seront bien limités, même si l’équipement est plus gros.
  • de simplification des utilités : une seule ligne électrique pour alimenter un seul équipement.
  • on augmente la fiabilité de l’ensemble en minimisant le nombre d’équipements nécessaires.
Et pourtant néanmoins, cette configuration à un seul échangeur nécessiterait toujours de dépenser de l’énergie électrique pour le faire fonctionner.
On propose donc selon la présence invention d’optimiser une solution à un seul échangeur, en utilisant un échangeur composant un ensemble appelé dans ce domaine technique un « ecochiller ».
On rappelera ci-dessous ce que l’homme du métier entend par la notion d’ ecochiller ».
Un « Ecochiller » est une solution complète mettant en œuvre un échangeur de chaleur qui combine dans le même équipement la vaporisation du cryogène, sans besoin d'énergie électrique, avec la récupération de l'énergie de refroidissement générée lors de la vaporisation.
Cette énergie de refroidissement est généralement utilisée dans le système de refroidissement d'eau du site producteur utilisateur de ce CO2gazeux, ce qui permet d'économiser de l'énergie électrique liée au refroidissement d’eau habituellement pratiqué sur ce site.
En effet, habituellement pour ce type d’industrie, la réalisation de l’alimentation en CO2gazeux s’effectue selon le schéma classique, c'est-à-dire en se raccordant après la sortie d’un stockage de CO2liquide derrière un réchauffeur atmosphérique ou électrique. Lors de l’utilisation du gaz et de sa vaporisation, beaucoup d’énergie disponible sous forme de frigories est alors perdue (non valorisée) dans l’échangeur atmosphérique avec l’air ambiant.
Or, par ailleurs, sur un même site mettant en œuvre ce CO2gazeux, il est très courant que l’industriel ait également besoin de refroidir un de ses autres procédés, un de ses fluides et notamment de l’eau.
Ainsi, de nombreux procédés industriels, utilisant des gaz et de la chaleur, nécessitent en parallèle et simultanément un système de refroidissement d’eau qui est très énergivore, afin de générer et satisfaire le besoin de froid du procédé. Optimiser et rationaliser l’impact environnemental, économique, sécurité ou normatif de ces procédés est un challenge essentiel à relever.
L’ « Ecochiller » CO2est une solution alternative d’échangeur thermique qui combine à la fois la vaporisation du cryogène et la récupération de frigories générées lors de cette vaporisation. La vaporisation s’effectue sans recours à l’ énergie électrique et les frigories obtenues lors de l’ échange thermique sont ensuite valorisées dans l’unité de refroidissement industriel du site, permettant ainsi d’économiser à nouveau de l’énergie électrique.
A titre illustratif de ce qui précède, un site qui procède à la carbonatation de boissons souhaite refroidir son eau avant carbonatation afin d’améliorer la dissolution du CO2dans cette eau (loi de Henry).
Toujours à titre illustratif, d’autres industriels nécessitent de refroidir l'eau des stations d'épuration car au-dessous d’une certaine température, la flore bactérienne n'est plus aussi efficace, tandis que d’autres nécessitent d’abaisser la température de leur eau pour refroidir ou maintenir les végétaux à 4°C (par exemple la famille des salades) etc…. les applications on le voit sont nombreuses.
Cet échangeur « Ecochiller » peut utiliser différentes sources de chaleur pour évaporer le CO2liquide, tel que de l’eau ou de de la vapeur par exemple.
Aussi, en plus des avantages mentionnés ci-dessus, on peut citer également :
  • La non consommation d’énergie électrique, énergie qui demeure la plus coûteuse. Les utilités utilisables sont bien meilleur marché sur un site qui en général disposent déjà des moyens de production. Le coût opératoire est donc optimisé.
  • La simplification et donc la diminution de l’investissement puisqu’ici, une seule utilité est utilisée.
  • Une minimisation du coût énergétique par le biais de la récupération des frigories contenues dans le CO2liquide qui vont contribuer à refroidir l’utilité eau.
annexée fournit une vue schématique partielle d’un réservoir classique de liquide cryogénique tel l’azote liquide ou le CO2liquide, muni de moyens habituels permettant de re-pressuriser son ciel gazeux au fur et à mesure que du liquide est soutiré du bas du réservoir pour alimenter en gaz un poste utilisateur (poste 2 sur la ).
Sur la figure est représenté un réservoir d'azote 1, contenant de l'azote liquide au fond, appelé également cuve , et de l'azote gazeux sous une pression d'environ 2 bars au sommet, appelé également tête . Le niveau de liquide à l'intérieur du réservoir est repéré par la référence N.
Le fond du réservoir 1 est raccordé à une installation consommatrice 2, par exemple un tunnel de surgélation, via une conduite de raccordement 3 pourvue d'une vanne de fermeture 4. Le point de raccordement de la conduite 3 au réservoir 1, qui est noté P, est couramment appelé point de puisage .
Le réservoir 1 comporte des moyens 5 de mise en pression du gaz au sommet du réservoir. Ces moyens 5 comportent ici une ligne 6 reliant le fond du réservoir à son sommet, et est pourvue, d'amont en aval, d'un appareil 7 de mesure de la pression de l'azote liquide, par exemple un manomètre, d'une vanne de fermeture 8 (préférentiellement une électrovanne) et d'un vaporiseur 9.
Le réservoir 1 comporte également des moyens 10 de mise à l'air du gaz au sommet du réservoir. Ces moyens 10 comportent une ligne 11 d'évacuation vers l'extérieur, pourvue d'amont en aval d'un manomètre 12, d'une vanne de fermeture 13 et éventuellement d'un organe d'échappement à l'air non représenté, couramment appelé silencieux".
Une unité 15, assurant la commande des moyens 5 de mise sous pression du sommet, ainsi que des moyens 10 de mise à l'air du sommet est reliée, par exemple par des liaisons électriques, d'une part aux appareils de mesure de pression 7 et 12, et d'autre part aux vannes 8 et 13. L'unité de commande 15 est de la sorte adaptée, d'une part, pour connaître, de façon continue ou à intervalles réguliers, la pression d'azote liquide au fond du réservoir 1 et d'azote gazeux au sommet de ce réservoir et, d'autre part, pour comparer la valeur de la pression au fond à une valeur prédéterminée choisie, modifiable par l'utilisateur. L'unité 15 est également à même de commander l'ouverture, totale ou partielle, ainsi que la fermeture des vannes 8 et 13 de façon à réguler les pressions du fond et du sommet du réservoir 1.
Des moyens 16 d'approvisionnement en azote sont également prévus, de façon à régulièrement, éventuellement continûment, alimenter en azote liquide le réservoir 1. De façon classique, ces moyens 16 comportent une conduite 17 d'alimentation par le fond du réservoir 1 permettant un remplissage dit « en source » , et éventuellement une conduite 18 d'alimentation par le sommet du réservoir permettant un remplissage dit « en pluie ».Le réservoir 1 comporte également un organe de trop-plein 19 connu en soi, destiné à limiter la hauteur du liquide à l'intérieur du réservoir. Sur la figure unique, le niveau du liquide N est représenté à son maximum.
annexée fournit une vue schématique partielle d’un équipement de vaporisation du CO2conforme à l’invention.
On reconnaît sur la les éléments d’installation suivants :
  • 21. Stockage de CO2liquide
  • 22. CO2liquide
  • 23. L’échangeur « Ecochiller »
  • 24. Le système de refroidissement d’eau du site
  • 25. CO2gazeux dirigé vers le poste utilisateur 30
  • 26. Flux de fluide caloporteur (eau) entre le système de refroidissement 24 et le poste utilisateur 30, qui en se réchauffant (et donc récupérant la chaleur générée par le poste 30) va retourner l'évacuer dans la source de refroidissement 24. Ce flux y est alors refroidi et peut retourner refroidir le poste 30.
  • 27. Eau refroidie dans l’échangeur 23.
  • 28. Eau issue du poste utilisateur 30 et dirigée vers l’échangeur 23.
  • 29. Gaz produit par l’ échangeur 23 utilisé pour repressuriser le ciel gazeux du réservoir 21
  • 30. Poste utilisateur du CO2.
L’invention concerne alors un procédé d’alimentation en CO2gazeux d’un poste utilisateur de ce CO2gazeux ou d’un mélange de gaz comportant du CO2gazeux, poste situé sur un site producteur, selon lequel :
  • On dispose d’un réservoir de CO2liquide, raccordé audit poste utilisateur de ce CO2gazeux ou d’un mélange de gaz comportant du CO2gazeux, lequel réservoir contient, sous une pression de stockage supérieure à la pression atmosphérique, du CO2en phase liquide au fond du réservoir et en phase gazeuse au sommet du réservoir ;
  • On alimente le poste utilisateur en gaz en soutirant du CO2liquide en partie basse du réservoir et en procédant à la vaporisation de ce CO2liquide sur une ligne reliant le réservoir au poste utilisateur ;
  • Lorsque le niveau de liquide varie à l’intérieur du réservoir, entrainant une variation de pression dans le ciel gazeux du réservoir, on procède le cas échéant à une repressurisation de ce ciel gazeux en prélevant du liquide cryogénique du bas du réservoir, en vaporisant ce liquide prélevé, et en envoyant le gaz ainsi produit dans le ciel gazeux du stockage ;
se caractérisant en ce que :
  • Ladite vaporisation du CO2liquide permettant d’alimenter le poste utilisateur en gaz ; et
  • Ladite vaporisation du CO2liquide prelevé en bas de réservoir pour repressuriser le ciel gazeux du réservoir ;
sont toutes deux réalisées au sein d’un même et unique échangeur de chaleur, préférentiellement un échangeur à plaques, échangeur apte à assurer l’évaporation d’un flux de CO2liquide en provenance dudit réservoir, pour produire un flux de CO2gazeux qui est acheminé selon les deux destinations suivantes :
  • une première partie de ce flux gazeux est le cas échéant renvoyée dans le ciel gazeux dudit réservoir de CO2liquide afin d'apporter un supplément de gaz à ce réservoir et contribuer ainsi le cas échéant (si nécessaire) à représsuriser son ciel gazeux ;
  • une seconde partie de ce flux gazeux est acheminée vers ledit poste utilisateur ou vers un système mélangeur apte à fournir au poste utilisateur le mélange de gaz comportant du CO2gazeux que celui-ci nécessite.
On comprend bien que l’échangeur unique (23) qui vise à évaporer le liquide cryogénique reçu (ligne 22) du réservoir, doit donc être alimenté en chaleur.
On peut envisager plusieurs sources de chaleur, plus ou moins adaptées à la technologie d'échange choisie :
  • échangeur à plaque avec l'électricité pour source de chaleur ;
  • cuve contenant un liquide (souvent de l'eau), elle-même chauffée par des résistances électriques (le volume d'eau servant de réserve de chaleur ou dite capacité, « vapo-piscine ») ;
  • cuve utilisant le même principe mais en remplaçant le liquide par un métal.
Il faut par ailleurs noter que le plus souvent, le site utilisateur va disposer de plusieurs réseaux d'utilités pour gérer les échanges thermiques (chauffage et refroidissement) au sein de son application. Le réseau d'utilité de refroidissement est composé en général d'une boucle contenant un liquide caloporteur (eau, eau glycolée…..), les lignes 26, 27 et 28 sur la Figure. Cette boucle met en contact une ou des sources de chaleur (à refroidir comme l'équipement 30 par exemple) et une ou des sources de froid (système de refroidissement 24). L'application est maintenue en température ou refroidie grâce au flux continu de fluide caloporteur (ligne 26) qui en se réchauffant (et donc récupérant la chaleur générée par l'application 30) va aller l'évacuer dans la source de refroidissement (appareil 24). Ce flux est alors refroidi et peut retourner refroidir la ou les applications du site.
Dans ce contexte, on propose selon la présente invention d’utiliser cette boucle de fluide caloporteur comme source de chaleur pour évaporer le liquide cryogénique. La source de chaleur nécessaire pour l'échangeur 23 consiste donc en un flux réchauffé issu de la boucle (ligne 28 sur la - sortie de l'application/utilisation (équipement 30) qui produit de la chaleur puisqu'il a besoin d'être refroidi (frigories) ou d’être maintenu en température). Ce flux refroidi (ligne 28 puis 27) peut ensuite retourner dans la boucle d'utilité.
Un tel arrangement présente plusieurs avantages :
  • la source de refroidissement est unique, ce qui représente une grande simplification des utilités.
  • l'évaporation du liquide cryogénique permet de récupérer du froid (l'inverse de la chaleur, autrement dit d'enlever de la chaleur à la boucle de fluide caloporteur de l'utilité). Il y a donc là une façon de soulager la source de froid de l'utilité, d’où un gain en taille.
  • la ligne d'alimentation de repressurisation du réservoir est alors très simple : par exemple clapet-anti-retour, vanne de régulation ou détendeur pour gérer la pression en aval, donc dans le ciel du réservoir 21.
On a donc en résumé le fait que l’on organise au sein d’un même et unique échangeur, sans intervention d’énergie électrique, la récupération des frigories générées lors de la vaporisation du CO2liquide, lors d’un échange thermique entre ce CO2liquide et un fluide d’utilité, par exemple de l’eau, utilisé par le site producteur pour refroidir une de ses opérations, en utilisant ainsi tout ou partie de ces frigories pour refroidir ce fluide.

Claims (1)

  1. Procédé d’alimentation en CO2gazeux d’un poste utilisateur (30) de ce CO2gazeux ou d’un mélange de gaz comportant du CO2gazeux, poste situé sur un site producteur, selon lequel :
    • On dispose d’un réservoir de CO2liquide (21), raccordé audit poste utilisateur de ce CO2gazeux ou d’un mélange de gaz comportant du CO2gazeux, lequel réservoir contient, sous une pression de stockage supérieure à la pression atmosphérique, du CO2en phase liquide au fond du réservoir et en phase gazeuse au sommet du réservoir ;
    • On alimente le poste utilisateur en gaz en soutirant du CO2liquide en partie basse du réservoir et en procédant à la vaporisation de ce CO2liquide sur une ligne reliant le réservoir au poste utilisateur ;
    • Lorsque le niveau de liquide varie à l’intérieur du réservoir, entrainant une variation de pression dans le ciel gazeux du réservoir, on procède le cas échéant à une repressurisation de ce ciel gazeux en prélevant du liquide cryogénique du bas du réservoir, en vaporisant ce liquide prélevé, et en envoyant le gaz ainsi produit dans le ciel gazeux du stockage ;
    se caractérisant en ce que :
    • Ladite vaporisation du CO2liquide permettant d’alimenter le poste utilisateur en gaz ; et
    • Ladite vaporisation du CO2liquide prelevé en bas de réservoir pour repressuriser le ciel gazeux du réservoir ;
    sont toutes deux réalisées au sein d’un même et unique échangeur de chaleur (23), préférentiellement un échangeur à plaques, échangeur apte à assurer l’évaporation d’un flux de CO2liquide (22) en provenance dudit réservoir, pour produire un flux de CO2gazeux qui est acheminé selon les deux destinations suivantes :
    • une première partie de ce flux gazeux est le cas échéant renvoyée (29) dans le ciel gazeux dudit réservoir de CO2liquide afin d'apporter un supplément de gaz à ce réservoir et contribuer ainsi le cas échéant à représsuriser son ciel gazeux ;
    • une seconde partie de ce flux gazeux est acheminée (25) vers ledit poste utilisateur ou vers un système mélangeur apte à fournir au poste utilisateur le mélange de gaz comportant du CO2gazeux que celui-ci nécessite ;
    et en ce que on alimente en chaleur ledit échangeur unique (23) de la façon suivante :
    • le site producteur est muni d’un réseau d’utilité(s) de refroidissement, lui permettant de refroidir une ou plusieurs de ses opérations, réseau comprenant une boucle contenant un liquide caloporteur tel que de l’eau ou de l’eau glycolée ;
    • la source de chaleur nécessaire pour l'échangeur (23) est obtenue par le fait que l’on organise au sein de l’échangeur (23) un échange thermique entre le CO2liquide et un flux de fluide d’utilité réchauffé issu de la boucle, nécessitant d’être refroidi, pour ensuite retourner une fois refroidi par échange avec le CO2liquide dans la boucle du réseau d’utilité de refroidissement.
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