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Pompes cryogéniques pour gaz liquéfiés et très basses températures
Le transfert de gaz liquéfiés et de fluides à très basse température impose des contraintes spécifiques en matière de vaporisation, de NPSH, de comportement des matériaux et de confinement du fluide.
Une pompe cryogénique doit ainsi être conçue en fonction des propriétés du fluide, de sa température, de sa pression et des conditions réelles de fonctionnement de l’installation.
OPTIMEX conçoit et fabrique des pompes cryogéniques à moteur noyé pour le transfert et la circulation de GNL (gaz naturel liquéfié), hydrogène liquide (LH2), azote liquide (LN2), oxygène liquide (LOX), argon liquide (LAr), GPL et autres gaz liquéfiés ou fluides basse température.
Principe de la pompe cryogénique
Pompe cryogénique : fonctionnement, gaz liquéfiés et contraintes basse température
Le pompage cryogénique ne consiste pas simplement à transférer un liquide à très basse température. Les gaz liquéfiés sont souvent maintenus dans des conditions proches de leur point d’ébullition : une variation de pression, une perte de charge ou un apport thermique peuvent entraîner une vaporisation partielle du fluide et perturber le fonctionnement de la pompe.
Une pompe cryogénique doit donc être dimensionnée en tenant compte simultanément des caractéristiques hydrauliques de l’installation, des propriétés thermodynamiques du liquide, des conditions d’aspiration et du comportement des matériaux à très basse température.
Une pompe cryogénique est une pompe spécialement conçue pour transférer, faire circuler ou soutirer des liquides cryogéniques et gaz liquéfiés maintenus à très basse température.
Elle peut notamment être utilisée pour le GNL, l’hydrogène liquide (LH2), l’azote liquide (LN2), l’oxygène liquide (LOX), l’argon liquide (LAr) et d’autres fluides liquéfiés ou réfrigérés.
Contrairement à de nombreux liquides industriels conventionnels, ces fluides sont souvent exploités dans des conditions proches de leur température d’ébullition. Une augmentation de température ou une diminution de pression peut alors provoquer la formation de vapeur.
Le fonctionnement d’une pompe pour liquide cryogénique dépend donc étroitement de plusieurs paramètres : température du fluide, pression de vapeur, pression d’aspiration, débit, hauteur manométrique totale (HMT), NPSH disponible et pertes de charge de l’installation.
L’objectif n’est pas uniquement d’assurer le débit et la pression demandés. La pompe basse température doit également contribuer au maintien de conditions hydrauliques et thermiques suffisamment stables pour limiter la vaporisation du fluide et assurer son transfert dans des conditions maîtrisées.
Ces équipements sont notamment utilisés dans les installations de stockage et de transfert de GNL et de gaz liquéfiés, les unités de séparation de l’air, la production et la distribution de gaz industriels, les infrastructures hydrogène ainsi que certaines applications aéronautiques, spatiales et de recherche.
Le NPSH constitue un paramètre essentiel dans le dimensionnement d’une pompe cryogénique. Les liquides cryogéniques étant souvent stockés à proximité de leurs conditions de saturation, une diminution de pression à l’entrée de la pompe peut entraîner une vaporisation locale du fluide.
Il est donc nécessaire d’évaluer le NPSH disponible (NPSHa) de l’installation par rapport au NPSH requis (NPSHr) par la pompe.
Le NPSHa dépend notamment de la pression dans le réservoir, du niveau de liquide, de la température et de la pression de vapeur du fluide, ainsi que des pertes de charge dans la tuyauterie d’aspiration. Lorsque la marge de NPSH devient insuffisante, le risque de flashing, de formation de vapeur et de cavitation augmente, avec des conséquences possibles sur la stabilité hydraulique et les performances de la pompe.
Cette problématique devient particulièrement importante lors du soutirage d’un réservoir cryogénique : à mesure que le niveau du liquide diminue, la hauteur statique disponible à l’aspiration de la pompe se réduit.
La conception de l’installation et le choix de la pompe doivent donc être étudiés conjointement.
Une implantation immergée directement dans le réservoir, une optimisation de l’aspiration ou, selon l’application, l’utilisation d’un inducteur permettant de réduire le NPSHr peuvent être envisagées pour répondre à des conditions d’aspiration particulièrement exigeantes.
Les très basses températures imposent également des contraintes particulières à la conception mécanique d’une pompe pour gaz liquéfiés.
Les matériaux subissent une contraction thermique et leurs propriétés mécaniques peuvent évoluer avec la température. Le choix des matériaux, les jeux internes, les tolérances et les assemblages doivent donc être définis en fonction de la plage de température réelle de l’application et de la compatibilité avec le fluide pompé.
- La faible viscosité de nombreux liquides cryogéniques constitue une autre particularité. Elle peut influencer les fuites internes, le comportement hydraulique, les conditions de lubrification des composants et le rendement de la pompe,
- L’apport thermique doit également être maîtrisé. La chaleur provenant du moteur, des pertes hydrauliques ou de l’environnement peut favoriser la vaporisation d’un liquide maintenu près de son point d’ébullition. L’analyse du comportement thermique de la pompe fait ainsi partie intégrante du dimensionnement d’une solution cryogénique,
- Le confinement du fluide devient essentiel lorsqu’il s’agit de gaz liquéfiés volatils, inflammables, oxydants ou difficiles à contenir. Une pompe cryogénique à moteur noyé sans garniture mécanique supprime la garniture dynamique associée au passage d’un arbre vers l’extérieur.
Cette architecture hermétique permet de réduire les chemins potentiels de fuite et constitue ainsi une solution particulièrement adaptée aux applications cryogéniques critiques où étanchéité, confinement du fluide, fiabilité et réduction des opérations de maintenance font partie des principaux critères de sélection.
Pompes pour GNL, LH2 et gaz industriels
Pompes cryogéniques pour GNL, hydrogène liquide (LH2) et gaz industriels
Les gaz liquéfiés présentent des caractéristiques thermodynamiques très différentes selon le fluide considéré. Température de stockage, pression de vapeur, densité, viscosité, inflammabilité ou pouvoir oxydant influencent directement le choix et le dimensionnement de la pompe.
Une pompe cryogénique pour GNL, hydrogène liquide ou gaz industriels doit donc être définie à partir des propriétés réelles du fluide et des conditions de l’installation : température, pression d’aspiration et de refoulement, débit, HMT, NPSH disponible, configuration du stockage et exigences de confinement.
OPTIMEX développe des solutions de pompage à moteur noyé adaptées au GNL, à l’hydrogène liquide (LH2), à l’azote liquide (LN2), à l’oxygène liquide (LOX), à l’argon liquide (LAr) ainsi qu’à d’autres gaz liquéfiés et fluides basse température.
Le gaz naturel liquéfié (GNL) est maintenu à une température d’environ −162 °C à pression atmosphérique.
Son stockage et son transfert nécessitent donc des pompes GNL spécifiquement conçues pour fonctionner à très basse température tout en maîtrisant les risques de vaporisation et de fuite.
Le GNL étant stocké dans des conditions proches de son point d’ébullition, les conditions d’aspiration sont déterminantes.
Température du fluide, pression dans le réservoir, niveau de liquide, pertes de charge et NPSH disponible doivent être étudiés conjointement afin de limiter le flashing, la formation de vapeur et la cavitation.
Une pompe immergée GNL installée directement dans le réservoir peut répondre à certaines de ces contraintes en positionnant l’aspiration au plus près du liquide et en réduisant les pertes associées aux tuyauteries d’aspiration externes.
Le confinement constitue également un enjeu majeur. Le GNL est un fluide volatil et inflammable : limiter les chemins potentiels de fuite fait donc partie des critères importants de sélection d’une pompe.
La technologie de pompe GNL à moteur noyé développée par OPTIMEX supprime la garniture mécanique dynamique présente sur une pompe centrifuge conventionnelle. Le moteur et la partie hydraulique sont intégrés dans une même architecture, sans arbre tournant traversant l’enveloppe vers l’extérieur.
Cette conception sans garniture mécanique contribue ainsi au confinement du GNL, tout en réduisant les opérations de maintenance associées aux systèmes d’étanchéité dynamiques.
Le pompage de l’hydrogène liquide représente l’une des applications les plus exigeantes de la cryogénie. À pression atmosphérique, l’hydrogène doit être maintenu à environ −253 °C pour rester à l’état liquide.
Une pompe pour hydrogène liquide (LH2) doit ainsi fonctionner dans des conditions de température extrêmes tout en prenant en compte les propriétés particulières du fluide, notamment sa très faible densité et sa très faible viscosité.
Ces caractéristiques influencent directement le comportement hydraulique, les fuites internes, les conditions de fonctionnement des composants et le rendement de la pompe.
La maîtrise des apports thermiques est également essentielle. Tout apport de chaleur au LH2 peut favoriser sa vaporisation et contribuer à la formation de gaz d’évaporation (boil-off gas).
Le dimensionnement d’une pompe cryogénique pour hydrogène doit donc intégrer l’équilibre thermique de l’ensemble, en complément des paramètres hydrauliques classiques.
Le NPSH constitue un autre point critique. Pression du réservoir, niveau de liquide, température, pertes de charge et implantation de la pompe influencent directement les conditions disponibles à l’aspiration.
Les applications potentielles d’une pompe LH2 concernent notamment la liquéfaction de l’hydrogène, le stockage cryogénique, le transfert entre réservoirs, le remplissage et le soutirage, les infrastructures hydrogène ainsi que certaines installations de recherche, d’essais, aéronautiques et spatiales.
Toute application LH2 doit néanmoins faire l’objet d’une étude et d’une validation spécifiques en fonction du fluide, de la température, de la plage de fonctionnement, des matériaux, des performances demandées et des exigences de sécurité du projet.
L’azote liquide, l’oxygène liquide et l’argon liquide sont largement utilisés dans la production et la distribution de gaz industriels, les unités de séparation de l’air et de nombreux procédés nécessitant des températures cryogéniques.
Même s’ils sont fréquemment regroupés sous l’appellation de gaz industriels cryogéniques, leurs propriétés et leurs contraintes d’utilisation diffèrent. La pompe doit donc être sélectionnée en fonction du fluide réellement transféré.
* Azote liquide (LN2).
Une pompe pour azote liquide ou pompe LN2 assure le transfert de l’azote maintenu à environ −196 °C à pression atmosphérique. Elle peut être utilisée pour le stockage et le transfert, le remplissage et le soutirage de réservoirs, la production et la distribution de gaz industriels, le refroidissement de procédés, la congélation ou encore certaines installations d’essais cryogéniques.
La proximité du point d’ébullition impose notamment de maîtriser les apports thermiques, les pertes de charge et le NPSH afin de limiter la formation de vapeur.
* Oxygène liquide (LOX).
Une pompe pour oxygène liquide ou pompe LOX fonctionne à des températures pouvant atteindre environ −183 °C à pression atmosphérique. Elle trouve notamment des applications dans les unités de séparation de l’air, la production de gaz industriels, la métallurgie ainsi que certaines installations aéronautiques et spatiales.
Le LOX impose toutefois une exigence supplémentaire : l’oxygène est un comburant puissant. La compatibilité des matériaux, la propreté des composants et les procédures applicables au service oxygène doivent donc être spécifiquement prises en compte dans la conception et la fabrication de la pompe.
* Argon liquide (LAr).
Une pompe pour argon liquide ou pompe LAr permet le transfert d’argon à environ −186 °C à pression atmosphérique. L’argon liquide est notamment utilisé dans les unités de séparation de l’air, la métallurgie, le soudage, l’électronique, les applications nécessitant une atmosphère inerte et certains procédés à haute pureté.
Pour ces trois fluides, le choix d’une pompe cryogénique à moteur noyé sans garniture mécanique peut apporter un avantage lorsque le confinement du liquide, la fiabilité et la réduction des opérations de maintenance constituent des critères importants du projet.
L’expertise dans le pompage des fluides cryogéniques peut également s’étendre à certains gaz liquéfiés et hydrocarbures volatils, notamment le GPL, le propane et le butane.
Contrairement au GNL, au LN2 ou au LOX, le GPL n’est pas nécessairement stocké à des températures cryogéniques.
Le propane, le butane et leurs mélanges peuvent être maintenus à l’état liquide sous pression, à température ambiante ou dans des conditions réfrigérées selon l’installation.
Leur forte volatilité et leur inflammabilité créent néanmoins des problématiques de pompage proches sur certains points de celles rencontrées avec les fluides cryogéniques.
La pression de vapeur du fluide constitue ici un paramètre déterminant. Une chute excessive de pression à l’aspiration peut provoquer une vaporisation partielle du GPL et entraîner flashing, cavitation ou instabilité hydraulique.
Le dimensionnement doit donc tenir compte de la composition exacte du fluide, de sa température, des pressions d’aspiration et de refoulement, du débit, de la HMT, du NPSH disponible et de la configuration du stockage.
Pour ces hydrocarbures volatils et inflammables, une pompe à moteur noyé sans garniture mécanique présente également un intérêt en matière de confinement. La suppression de l’étanchéité dynamique de l’arbre réduit les chemins potentiels de fuite et les besoins de maintenance associés aux garnitures mécaniques.
Pompes cryogéniques pour ASU
Pompes cryogéniques pour unités de séparation de l’air (ASU) et gaz industriels
Les unités de séparation de l’air, également désignées par l’acronyme ASU (Air Separation Unit), produisent de l’oxygène, de l’azote et de l’argon à partir de l’air atmosphérique.
Dans une unité de séparation cryogénique de l’air, ces gaz sont séparés à très basse température puis peuvent être transférés, stockés et distribués sous forme liquide.
Les pompes cryogéniques pour gaz industriels interviennent à différentes étapes de ce process. Selon la configuration de l’installation, elles assurent le transfert de l’oxygène liquide (LOX), de l’azote liquide (LN2) ou de l’argon liquide (LAr) entre les équipements de production, les réservoirs cryogéniques et les installations de distribution.
Pour les producteurs de gaz industriels et les exploitants d’ASU, le choix de la pompe doit associer performances hydrauliques, fonctionnement à très basse température, maîtrise du NPSH, compatibilité avec le fluide et confinement.
Une pompe pour unité de séparation de l’air peut intervenir à plusieurs étapes situées en aval du procédé de séparation cryogénique.
Une fois l’oxygène, l’azote ou l’argon obtenus sous forme liquide, ces fluides doivent être transférés entre les différentes parties de l’installation dans des conditions thermiques et hydrauliques maîtrisées.
Le dimensionnement d’une pompe ASU ne repose pas uniquement sur le débit et la hauteur manométrique demandés. Il doit également intégrer la température du liquide, les pressions d’aspiration et de refoulement, sa pression de vapeur, le NPSH disponible, les pertes de charge ainsi que le profil de fonctionnement de l’installation.
Les liquides issus de la séparation cryogénique de l’air étant exploités à proximité de leur point d’ébullition, une perte de pression ou un apport thermique peut favoriser leur vaporisation. La maîtrise des conditions d’aspiration et des échanges thermiques participe donc directement à la stabilité du pompage.
Pour les installations présentant un faible NPSH disponible, notamment lors du soutirage depuis certains réservoirs cryogéniques, la configuration hydraulique et l’implantation de la pompe doivent être étudiées dès la phase de conception.
La technologie à moteur noyé sans garniture mécanique d’OPTIMEX permet par ailleurs de supprimer l’étanchéité dynamique associée au passage d’un arbre vers l’extérieur. Cette architecture peut être particulièrement pertinente pour les applications de gaz industriels nécessitant un niveau élevé de confinement et de fiabilité.
Dans une installation de production de gaz industriels, le pompage cryogénique s’inscrit dans une chaîne complète allant de la séparation de l’air jusqu’au stockage et à la distribution des produits liquéfiés : production → séparation cryogénique → soutirage → transfert → stockage → distribution.
Une même ASU peut ainsi nécessiter différentes fonctions de pompage selon le fluide, le point du procédé et les performances recherchées.
Après séparation, une pompe pour gaz industriel peut assurer le transfert du liquide depuis l’unité de production vers un réservoir de stockage, sa circulation entre différents équipements ou son soutirage en vue d’une utilisation ou d’une distribution ultérieure.
Les conditions de pompage ne sont cependant pas identiques pour l’oxygène, l’azote et l’argon. Chaque fluide possède ses propres caractéristiques de densité, de viscosité, de pression de vapeur et de température. La pompe cryogénique pour gaz industriel doit donc être dimensionnée pour le fluide et le point de fonctionnement concernés.
Pour le LOX, la conception doit en outre prendre en compte les exigences spécifiques liées au service oxygène, notamment la compatibilité des matériaux et la propreté des composants.
Dans les installations fonctionnant en continu, la disponibilité de l’équipement constitue également un critère important. Une conception sans garniture mécanique permet de supprimer un composant d’usure et un chemin potentiel de fuite, tout en réduisant les interventions de maintenance liées aux systèmes d’étanchéité dynamiques.
OPTIMEX peut développer des pompes cryogéniques pour unités de séparation de l’air et installations de gaz industriels en fonction du fluide pompé, des performances hydrauliques recherchées, du NPSH disponible, des conditions de stockage et des contraintes propres au process industriel.
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