WO2023208634A1 - Boite froide pour hydrogene liquide - Google Patents

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WO2023208634A1
WO2023208634A1 PCT/EP2023/059930 EP2023059930W WO2023208634A1 WO 2023208634 A1 WO2023208634 A1 WO 2023208634A1 EP 2023059930 W EP2023059930 W EP 2023059930W WO 2023208634 A1 WO2023208634 A1 WO 2023208634A1
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WO
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cold box
exchanger
reactor
portions
lower module
Prior art date
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PCT/EP2023/059930
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Inventor
David Averous
Julien HIRT
Renaud MAXANT
Isabelle Naude
Original Assignee
Fives Cryo
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0005—Light or noble gases
    • F25J1/001—Hydrogen
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04H—BUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
    • E04H5/00—Buildings or groups of buildings for industrial or agricultural purposes
    • E04H5/10—Buildings forming part of cooling plants
    • E04H5/12—Cooling towers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0259—Modularity and arrangement of parts of the liquefaction unit and in particular of the cold box, e.g. pre-fabrication, assembling and erection, dimensions, horizontal layout "plot"
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/42—Modularity, pre-fabrication of modules, assembling and erection, horizontal layout, i.e. plot plan, and vertical arrangement of parts of the cryogenic unit, e.g. of the cold box
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2290/44—Particular materials used, e.g. copper, steel or alloys thereof or surface treatments used, e.g. enhanced surface

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of cold boxes.
  • a cold box is a self-supporting structure protecting cryogenic equipment such as heat exchangers, reactors, piping or even fluidic equipment.
  • the invention relates more specifically to cold boxes intended for the cooling and liquefaction of hydrogen for temperatures of 80°K to 20°K.
  • cold boxes intended for cooling and liquefaction of hydrogen typically include:
  • fluidic equipment such as control and regulation bodies, in particular turbines (turboexpanders), valves or sensors, as well as a set of connecting pipes.
  • They take the form of a vertical or horizontal cylinder, of a constant diameter and of a significant height or length, for example a height of 12 meters and a diameter of 4 meters.
  • the interior volume of the cold box is maintained at zero absolute pressure (under vacuum) to ensure thermal insulation of the equipment located inside.
  • vacuum makes it possible to limit the intake of calories through the exterior walls of the cold box by eliminating the exchange by convection between the exterior walls and the equipment located in the cold box.
  • the internal components of the cold box (exchanger, reactor, pipes, valves, etc.) are covered with a specific thermal insulator, limiting in particular the exchange by radiation between the components, and between them and the exterior walls of the cold box.
  • exchanges by conduction are also limited, for example by the use of poorly conductive materials or by lengthening the conduction paths.
  • the exchanger, the reactor and the piping are distributed throughout the cold box, as is the instrumentation, part of which is located in the upper part of the cold box.
  • the invention provides a new solution to these problems making it possible to:
  • a cold box intended for the cooling and liquefaction of hydrogen comprising a self-supporting structure forming a vertical enclosure in which there is an exchanger/reactor and fluidic equipment comprising: - non-static fluid equipment, for example a control valve, and - static fluidic equipment, in particular instrumentation, the vertical enclosure being formed of two superimposed cylindrical modules, a lower module surmounted by an upper module, the non-static fluidic equipment being grouped in the lower module in which they are accessible at eye level,
  • the cold box being characterized in that it further comprises connecting pipes between the exchanger/reactor and the fluidic equipment,
  • these connecting pipes have portions, arranged on the exchanger/reactor side, made of aluminum and portions, arranged on the fluidic equipment side, made of stainless steel,
  • bimetallic junctions are arranged in the vicinity of a junction plane between the two modules of the cold box.
  • the lower module comprises:
  • non-static fluidic equipment valves, turbine, etc.
  • top module includes:
  • bimetallic junctions making the mechanical interface between aluminum pipes and stainless steel pipes.
  • Arranging the non-static and static fluidic equipment in the lower module of the box allows easier access for operators to this equipment during assembly, start-up and maintenance operations of the cold box.
  • the exchanger/reactor comprises a stack of brazed aluminum plates and waves.
  • the equipment contained in the cold box according to the invention forms pre-assembled modules.
  • the modules are defined so that they are easily interchangeable and that connections between modules are facilitated.
  • This modular design makes it possible to select the modules adapted according to the desired characteristics of the cold box from a plurality of modules, reducing the hours of study necessary to design a new cold box adapted to another specification. It also facilitates transport and handling in sub-assembly and reduces the assembly time of the cold box.
  • the heat exchanger is also a reactor for a physico-chemical reaction of ortho-para conversion of hydrogen.
  • internal surfaces of the exchanger are coated with a catalyst for this reaction or internal parts of the exchanger are filled with a catalyst for this reaction, for example in the form of a powder.
  • This catalyst is an oxide, a hydroxide, a mixture of oxides or hydroxides, or a mixture of oxides and hydroxides.
  • the oxide is Fe 2 O 3 or the hydroxide is Fe(OH) 3 .
  • the vertical enclosure is capable of being placed under vacuum. Vacuuming the enclosure makes it possible to limit the transfer of calories between the interior envelope of the enclosure and the equipment located inside it.
  • the enclosure is also insulated to increase the effectiveness of the thermal insulation of the cold box.
  • the upper module of the vertical enclosure is longer and of smaller external diameter than the lower module. It is advantageous to reduce the diameter of the vertical enclosure to limit its exchange surface with the external environment and thus limit the heat input to the interior of the enclosure. Limiting the diameter also reduces the manufacturing cost of the enclosure and facilitates handling and transport on site. By grouping the fluidic equipment in the lower module and having a single exchanger/reactor combining the functions of heat exchanger and reactor, we free up space in the upper module. It is thus possible to reduce its diameter.
  • the exchanger/reactor includes distribution heads at the fluid inlets and outlets. These distribution heads have a rectangular section on one side, on the exchanger/reactor side, to distribute the fluid over a width of the exchanger/reactor, and a tubular section on the other side for connection to connecting piping.
  • the distribution head is welded to the exchanger/reactor and to the connecting piping. With an aluminum exchanger/reactor, it is necessary that the connection head and the connection piping to it are also made of aluminum to obtain a quality weld.
  • connection pipes are made of stainless steel for greater mechanical strength and because the majority of fluidic equipment present on these pipes is made of stainless steel.
  • the junction between the aluminum part and the stainless steel part of a connecting pipe is made by a bimetallic junction, for example with a shrink fit or explosion assembly.
  • the aluminum part of the connecting pipes is extended over a complementary length so that, once the exchanger/reactor is in a vertical position on the supporting structure of the cold box, the junctions between the aluminum part and the stainless steel one of the connecting pipes is at eye level. The installation of bimetallic junctions is thus facilitated.
  • the two lower and upper modules are connected at their junction plane P by a connection means. It is thus possible to manufacture the two modules in parallel, thus reducing the production time of the cold box. In addition, it is possible to transport the two modules separately to the industrial site where the cold box will be used and to only carry out the assembly on site. Transport can thus be less expensive and simpler to organize, because this removes all or part of the constraints linked to exceptional transport, which is necessary for a cold box in a single block according to the state of the art.
  • the two lower and upper modules are connected at their junction plane P by a removable connecting means.
  • a removable connection between the two modules it is easy to subsequently remove the upper module to work in the cold box if necessary, for example to replace the exchanger/reactor.
  • a method of assembling a cold box as described above comprises the following steps:
  • the invention thus makes it possible to proceed with the installation of the exchanger/reactor on the supporting structure of the lower module intended to receive it, then to make the junctions of the connecting pipes before closing the cold box by placing it in place. place of the upper module.
  • the equipment assembly and adjustment operations are facilitated, all the more so since they are carried out by the operators at eye level, which also increases the safety of the operators during the assembly of the cold box.
  • FIG. 1 is a schematic view of a cold box according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 1 is, on its left part, a schematic view of a lower cold box module according to the exemplary embodiment of the invention of the , during assembly, and on its right side, a schematic view of the exchanger/reactor intended to equip the cold box;
  • FIG. 1 is, on its left part, a schematic view of a lower cold box module according to the exemplary embodiment of the invention of the , at the end of assembly, and on its right part, a schematic view of an upper module of a cold box according to the example of embodiment of the invention of the , And ;
  • FIG. 1 is a schematic view of a cold box according to the exemplary embodiment of the invention of the , after placing the upper module on the lower module.
  • the cold box 1 represented in comprises a self-supporting vertical cylindrical enclosure 2 composed of a lower module 5 surmounted, at the plane P, by an upper module 6.
  • An operator 14 placed next to the cold box makes it possible to visualize the size of the equipment.
  • the lower module has a larger diameter, but a more limited height than the upper module.
  • the height of the lower module is limited so that operators can have access to it at eye level, without having to work at height. This limits the risk of an accident due to a fall and avoids the loss of time and additional expenses that would result from the use of means for working at height.
  • Its diameter depends on the fluidic equipment it must contain. For example, the lower module has a diameter of 4 meters and a height of 1.5 meters and the upper module has a diameter of 2 meters and a height of 9.5 meters.
  • a supporting structure 10 is in place. This structure is in particular intended to receive the exchanger/reactor according to the invention.
  • Stainless steel portions 72 of connecting pipes 7 are also in place in the lower module 5, and outside the cold box.
  • fluidic equipment 4 is in place, for example non-static equipment such as a regulation valve 11 and static equipment such as a pressure switch 9 and a sensor 12.
  • the pressure switch 9 is offset outside the enclosure 2 so that it is easily accessible to operators when operating the cold box. It is the same for the actuator 13 for controlling the regulation valve 11.
  • the sensor 12 is placed inside the enclosure. The choice of whether or not to move equipment outside the enclosure depends on its nature and use.
  • the turbine can be placed inside the enclosure or outside it depending in particular on its dimensions.
  • the exchanger/reactor 3 On the right side of the , we can see represented the exchanger/reactor 3 placed next to the lower module, awaiting its installation on the supporting structure.
  • the exchanger/reactor comprises portions 71 of aluminum connecting pipes, welded at their upper ends to distribution heads 15.
  • the portions 71 of aluminum connecting pipes extend towards the bottom of the exchanger so that their lower ends can be connected to the portions 72 of stainless steel connecting pipes in the vicinity of the plane P of the cold box.

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Abstract

Boite froide (1) destinée au refroidissement et à la liquéfaction d'hydrogène comprenant une structure autoportante formant une enceinte (2) verticale dans laquelle on trouve un échangeur/réacteur (3) et des équipements (4) fluidiques, l'enceinte verticale étant formée de deux modules (5, 6) superposés cylindriques, un module (5) inférieur surmonté d'un module (6) supérieur, les équipements (4) fluidiques étant regroupés dans le module inférieur dans lequel ils sont accessibles à hauteur d'homme.

Description

BOITE FROIDE POUR HYDROGENE LIQUIDE Désignation du domaine technique concerné
La présente invention est relative au domaine technique des boites froides. Une boite froide est une structure autoportante protégeant des équipements cryogéniques tel que des échangeurs de chaleur, des réacteurs, de la tuyauterie ou encore des équipements fluidiques. L’invention concerne plus précisément des boites froides destinées au refroidissement et à la liquéfaction d’hydrogène pour des températures de 80 °K à 20 °K.
Problèmes techniques auxquels répond l’invention
Selon l’état de la technique, les boites froides destinées au refroidissement et à la liquéfaction d’hydrogène comprennent typiquement :
. au moins un échangeur pour le refroidissement de l’hydrogène,
. au moins un réacteur dans lequel est réalisé une réaction physico-chimique de conversion ortho-para de l’hydrogène,
. des équipements fluidiques tels que des organes de contrôle et de régulation, notamment des turbines (turbodétendeurs), des vannes ou des capteurs, ainsi qu’un ensemble de tuyauteries de liaison.
Elles prennent la forme d’un cylindre vertical ou horizontal, d’un diamètre constant et d’une hauteur ou longueur importante, par exemple d’une hauteur de 12 mètres et d’un diamètre de 4 mètres.
Le volume intérieur de la boite froide est maintenu à une pression absolue nulle (sous vide) pour assurer une isolation thermique des équipements se trouvant à l’intérieur. En effet, le vide permet de limiter l’apport de calories par les parois extérieures de la boite froide en supprimant l’échange par convection entre les parois extérieures et les équipements se trouvant dans la boite froide.
Pour renforcer l’isolation, les composants internes de la boite froide (échangeur, réacteur, tuyauteries, vannes, etc.) sont recouverts d’un isolant thermique spécifique limitant notamment l’échange par rayonnement entre les composants, et entre ceux-ci et les parois extérieures de la boite froide. De plus, les échanges par conduction sont également limités par exemple par l’utilisation de matériaux peu conducteurs ou en allongeant les chemins de conduction.
L’échangeur, le réacteur et la tuyauterie sont répartis dans l’ensemble de la boite froide, tout comme l’instrumentation dont une partie est disposée en partie supérieure de la boite froide.
Cette disposition des équipements présente des inconvénients, notamment :
. des problèmes d’accessibilité aux équipements non statiques disposés en partie haute de la boite froide,
. un coût élevé et un temps de fabrication long de la boite froide dus à une conception relativement complexe et une sous-traitance peu développée,
. un coût de transport élevé et des difficultés de livraison de la boite froide sur le site où elle sera en exploitation en raison de ses dimensions importantes et de son poids élevé.
L’invention apporte une solution nouvelle à ces problèmes permettant de :
. réduire la complexité de la boite froide,
. faciliter l’accès aux équipements non-statiques,
. optimiser le schéma industriel pour fabriquer la boite froide.
Selon un premier aspect de l’invention, il est proposé une boite froide destinée au refroidissement et à la liquéfaction d’hydrogène comprenant une structure autoportante formant une enceinte verticale dans laquelle on trouve un échangeur/réacteur et des équipements fluidiques comprenant :
- des équipements fluidiques non statiques, par exemple une vanne de régulation, et
- des équipements fluidiques statiques, notamment de l’instrumentation,
l’enceinte verticale étant formée de deux modules superposés cylindriques, un module inférieur surmonté d’un module supérieur, les équipements fluidiques non statiques étant regroupés dans le module inférieur dans lequel ils sont accessibles à hauteur d’homme,
la boite froide étant caractérisée en ce qu’elle comprend en outre des tuyauteries de liaison entre l’échangeur/réacteur et les équipements fluidiques,
en ce que ces tuyauteries de liaison ont des portions, disposées côté échangeur/réacteur, en aluminium et des portions, disposées côté équipements fluidiques, en acier inoxydable,
en ce que les deux portions de tuyauteries de liaison sont séparées par des jonctions bimétalliques formant interfaces,
en ce que les portions de tuyauterie de liaison en aluminium sont disposées dans le module supérieur et les portions de tuyauterie de liaison en acier inoxydable sont disposées dans le module inférieur, et
en ce que les jonctions bimétalliques sont disposées au voisinage d’un plan de jonction entre les deux modules de la boite froide.
Avantageusement, le module inférieur comprend :
. les équipements fluidiques non-statique (vannes, turbine, etc.),
. les équipements fluidiques statiques, notamment l’instrumentation,
. différentes tuyauteries (process et instrumentation) en acier inoxydable,
. une structure porteuse en acier.
Et le module supérieur comprend :
. un échangeur/réacteur, à la place d’un échangeur et d’un réacteur distincts, permettant une conception plus simple de la boite froide,
. des tuyauteries en aluminium connectant l’échangeur/réacteur et les tuyauteries en acier inoxydable du module inférieur,
. des jonctions bimétalliques, faisant l’interface mécanique entre les tuyauteries en aluminium et des tuyauteries en inox.
Disposer les équipements fluidiques non statiques et statiques dans le module inférieur de la boite permet un accès facilité aux opérateurs à ces équipements lors des opérations de montage, de mise en route et de maintenance de la boite froide.
Avantageusement selon l’invention, l’échangeur/réacteur comprend un empilement de plaques et ondes en aluminium brasées.
Les équipements contenus dans la boite froides selon l’invention forment des modules préassemblés. Les modules sont définis de sorte qu’ils soient facilement interchangeables et que les raccordements entre modules soient facilités. Cette conception modulaire permet de sélectionner les modules adaptés selon les caractéristiques souhaitées de la boite froide parmi une pluralité de modules, réduisant les heures d’études nécessaires pour concevoir une nouvelle boite froide adaptée à un autre cahier des charges. Elle facilite également le transport et la manutention en sous-ensemble et réduit le temps d’assemblage de la boite froide.
Selon l’invention, l’échangeur de chaleur est également un réacteur pour une réaction physico-chimique de conversion ortho-para de l’hydrogène. Pour cela, des surfaces internes de l’échangeur sont revêtues d’un catalyseur à cette réaction ou des parties internes de l’échangeur sont remplies d’un catalyseur à cette réaction, par exemple sous la forme d’une poudre. Ce catalyseur est un oxyde, un hydroxyde, un mélange d’oxydes ou d’hydroxydes, ou un mélange d’oxydes et d’hydroxydes. Avantageusement, l’oxyde est du Fe2O3 ou l’hydroxyde est du Fe(OH)3. Cette solution ne nécessite ainsi qu’un seul équipement cumulant les deux fonctions d’échangeur et de réacteur au lieu de deux équipements distincts selon l’état de la technique. Il en résulte une solution plus compacte permettant de réduire les dimensions de la boite froide.
Selon l’invention, l’enceinte verticale est apte à être mise sous vide. La mise sous vide de l’enceinte permet de limiter le transfert de calories entre l’enveloppe intérieure de l’enceinte et les équipements qui se trouvent à l’intérieur de celle-ci. L’enceinte est de plus calorifugée pour augmenter l’efficacité de l’isolation thermique de la boite froide.
Avantageusement selon l’invention, le module supérieur de l’enceinte verticale est plus long et de plus petit diamètre extérieur que le module inférieur. Il est avantageux de réduire le diamètre de l’enceinte verticale pour limiter la surface d’échange de celle-ci avec l’environnement extérieur et ainsi limiter l’apport de chaleur vers l’intérieur de l’enceinte. Limiter le diamètre permet également de réduire le coût de fabrication de l’enceinte et en facilite la manutention et le transport sur site. En regroupant les équipements fluidiques dans le module inférieur et en ayant un seul échangeur/réacteur combinant les fonctions d’échangeur thermique et de réacteur, on libère de la place dans le module supérieur. Il est ainsi possible de réduire son diamètre.
L’échangeur/réacteur comprend des têtes de distribution au niveau des entrées et des sorties des fluides. Ces têtes de distribution ont d’un côté une section rectangulaire, côté échangeur/réacteur, pour distribuer le fluide sur une largeur de l’échangeur/réacteur, et une section tubulaire de l’autre côté pour le raccordement à une tuyauterie de liaison. La tête de distribution est soudée sur l’échangeur/réacteur et sur la tuyauterie de liaison. Avec un échangeur/réacteur en aluminium, il est nécessaire que la tête de liaison et la tuyauterie de raccordement à celle-ci soient également en aluminium pour obtenir une soudure de qualité.
En dehors de la zone de raccordement à une tête de distribution où elles doivent être en aluminium, les tuyauteries de liaison sont en acier inoxydable pour une plus grande tenue mécanique et car la majorité des équipements fluidiques présents sur ces tuyauteries sont en en acier inoxydable. La jonction entre la partie en aluminium et celle en acier inoxydable d’une tuyauterie de liaison est réalisée par une jonction bimétallique, par exemple avec un assemblage par frettage ou par explosion. Selon l’invention, la partie en aluminium des tuyauteries de liaison est prolongée sur une longueur complémentaire de sorte que, une fois l’échangeur/réacteur en position verticale sur la structure porteuse de la boite froide, les jonctions entre la partie en aluminium et celle en acier inoxydable des tuyauteries de liaison sont à hauteur d’homme. La mise en place des jonctions bimétalliques est ainsi facilitée.
Selon l’invention, les deux modules inférieur et supérieur sont reliés au niveau de leur plan de jonction P par un moyen de liaison. Il est ainsi possible de fabriquer en parallèle les deux modules réduisant ainsi le temps de production de la boite froide. De plus, il est possible de transporter les deux modules séparément vers le site industriel où la boite froide sera exploitée et de ne réaliser l’assemblage que sur site. Le transport peut ainsi être moins coûteux et plus simple d’organisation, car cela supprime tout ou partie des contraintes qui sont liées à un transport exceptionnel, lequel est nécessaire pour une boite froide en un seul bloc selon l’état de la technique.
Avantageusement selon l’invention, les deux modules inférieur et supérieur sont reliés au niveau de leur plan de jonction P par un moyen de liaison amovible. Avec une liaison amovible entre les deux modules, il est facile de retirer ultérieurement le module supérieur pour intervenir dans la boite froide en cas de besoin, par exemple pour remplacer l’échangeur/réacteur.
Selon un second aspect de l’invention, il est proposé un procédé d’assemblage d’une boite froide telle que décrite précédemment, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :
- fourniture de l’échangeur/réacteur, du module inférieur et du module supérieur,
- mise en place de l’échangeur/réacteur sur une structure porteuse du module inférieur,
- raccordement entre les portions de tuyauteries de liaison en aluminium compris dans le module inférieur et les portions de tuyauterie de liaison en acier inoxydable compris dans l’échangeur/réacteur,
- positionnement du module supérieur sur le module inférieur,
- fixation du module inférieur au module supérieur, et
- réalisation des jonctions entre les portions de tuyauterie de liaison en aluminium et les portions de tuyauterie de liaison en acier inoxydable. L’invention permet ainsi de procéder à la mise en place de l’échangeur/réacteur sur la structure porteuse du module inférieur destinée à le recevoir, puis d’effectuer les jonctions des tuyauteries de liaison avant de refermer la boite froide par la mise en place du module supérieur. En procédant ainsi, les opérations de montage et de réglages des équipements sont facilitées et cela d’autant plus qu’elles sont réalisées par les opérateurs à hauteur d’homme, ce qui accroit également la sécurité des opérateurs lors de l’assemblage de la boite froide.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
est une vue schématique d’une boite froide selon un exemple de réalisation de l’invention ;
est, sur sa partie gauche, une vue schématique d’un module inférieur de boite froide selon l’exemple de réalisation de l’invention de la , en cours de montage, et sur sa partie droite, une vue schématique de l’échangeur/réacteur destiné à équiper la boite froide ;
est, sur sa partie gauche, une vue schématique d’un module inférieur de boite froide selon l’exemple de réalisation de l’invention de la , en fin de montage, et sur sa partie droite, une vue schématique d’un module supérieur de boite froide selon l’exemple de réalisation de l’invention de la , et ;
est une vue schématique d’une boite froide selon l’exemple de réalisation de l’invention de la , après la mise en place du module supérieur sur le module inférieur.
La boite froide 1 selon l’invention représentée en comprend une enceinte 2 cylindrique verticale autoportante composée d’un module inférieur 5 surmonté, au niveau du plan P, par un module supérieur 6. Un opérateur 14 placé à côté de la boite froide permet de visualiser la taille de l’équipement. Le module inférieur a un diamètre plus important, mais une hauteur plus limitée que le module supérieur. La hauteur du module inférieur est limitée pour que les opérateurs puissent avoir accès à celui-ci à hauteur d’homme, sans qu’ils aient à travailler en hauteur. On limite ainsi le risque d’accident par chute et on évite la perte de temps et les dépenses supplémentaires qui résulteraient de l’usage de moyens pour le travail en hauteur. Son diamètre est fonction des équipements fluidiques qu’il doit contenir. Par exemple, le module inférieur a un diamètre de 4 mètres et une hauteur de 1,5 mètre et le module supérieur a un diamètre de 2 mètres et une hauteur de 9,5 mètres.
En partie gauche de la , on peut voir représenté le module 5 inférieur de la boite froide de la en cours de montage. Au stade d’avancement du montage représenté sur cette figure, une structure porteuse 10 est en place. Cette structure est notamment destinée à recevoir l’échangeur/réacteur selon l’invention. Des portions 72 en acier inoxydable de tuyauteries de liaison 7 sont également en place dans le module 5 inférieur, et à l’extérieur de la boîte froide. Sur ces portions 72 de tuyauteries, des équipements fluidiques 4 sont en place, par exemple des équipements non statiques comme une vanne 11 de régulation et des équipements statiques comme un pressostat 9 et un capteur 12. On peut voir sur la que le pressostat 9 est déporté à l’extérieur de l’enceinte 2 afin qu’il soit accessible facilement aux opérateurs lors de l’exploitation de la boite froide. Il en est de même pour l’actionneur 13 de pilotage de la vanne 11 de régulation. A l’inverse, le capteur 12 est placé à l’intérieur de l’enceinte. Le choix de déporter ou non un équipement à l’extérieur de l’enceinte est fonction de sa nature et de son usage. La turbine peut être disposée à l’intérieur de l’enceinte ou à l’extérieur de celle-ci selon notamment ses dimensions.
En partie droite de la , on peut voir représenté l’échangeur/réacteur 3 posé à côté du module inférieur, en attente de sa mise en place sur la structure porteuse. L’échangeur/réacteur comprend des portions 71 de tuyauteries de liaison en aluminium, soudées à leurs extrémités supérieures à des têtes 15 de distribution. Les portions 71 de tuyauteries de liaison en aluminium se prolongent vers le bas de l’échangeur de sorte que leurs extrémités inférieures puissent venir se raccorder aux portions 72 de tuyauteries de liaison en acier inoxydable au voisinage du plan P de la boite froide.
En partie gauche de la , on peut voir représenté le module 5 inférieur de la boite froide de la en fin de montage. L’échangeur/réacteur 3 est en place sur la structure porteuse 10 et les portions 71 en aluminium des tuyauteries de liaison 7 sont raccordées aux portions 72 en acier inoxydable au moyen de jonctions bimétalliques 8. Ces jonctions bimétalliques sont disposées à hauteur d’homme pour faciliter leur mise en place par les opérateurs.
A droite de la , on peut voir représenté le module 6 supérieur posé à côté du module 5 inférieur. La mise en place du module supérieur sur le module inférieur n’est réalisée qu’après la mise en place de l’ensemble des équipements devant se trouver à l’intérieur de la boite froide.
En , on peut voir représentée la boite froide à la fin de son montage, le module 6 supérieur ayant été placé sur le module 5 inférieur. 

Claims (6)

  1. Boite froide (1) destinée au refroidissement et à la liquéfaction d’hydrogène comprenant une structure autoportante formant une enceinte (2) verticale dans laquelle on trouve un échangeur/réacteur (3) et des équipements (4) fluidiques comprenant :
    - des équipements fluidiques non statiques, par exemple une vanne de régulation, et
    - des équipements fluidiques statiques, notamment de l’instrumentation,
    l’enceinte (2) verticale étant formée de deux modules (5, 6) superposés cylindriques, un module (5) inférieur surmonté d’un module (6) supérieur, les équipements fluidiques non statiques étant regroupés dans le module (5) inférieur dans lequel ils sont accessibles à hauteur d’homme,
    la boite froide (1) étant caractérisée en ce qu’elle comprend en outre des tuyauteries (7) de liaison entre l’échangeur/réacteur (3) et les équipements (4) fluidiques,
    en ce que ces tuyauteries (7) de liaison ont des portions (71), disposées côté échangeur/réacteur (3), en aluminium et des portions (72), disposées côté équipements (4) fluidiques, en acier inoxydable,
    en ce que les deux portions (71,72) de tuyauteries de liaison sont séparées par des jonctions bimétalliques (8) formant interfaces,
    en ce que les portions (71) de tuyauterie de liaison en aluminium sont disposées dans le module (6) supérieur et les portions (72) de tuyauterie de liaison en acier inoxydable sont disposées dans le module (5) inférieur, et
    en ce que les jonctions bimétalliques (8) sont disposées au voisinage d’un plan (P) de jonction entre les deux modules (5, 6) de la boite froide (1).
  2. Boite froide selon la revendication 1, caractérisée en ce que l’enceinte (2) verticale est apte à être mise sous vide.
  3. Boite froide selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le module (6) supérieur est plus long et de plus petit diamètre extérieur que le module (5) inférieur.
  4. Boite froide selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les deux modules inférieur (5) et supérieur (6) sont reliés au niveau de leur plan (P) de jonction par un moyen de liaison amovible.
  5. Boite froide selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’échangeur/réacteur (3) cumule une fonction d’échangeur de chaleur pour refroidir l’hydrogène liquide et une fonction de réacteur pour une réaction physico-chimique de conversion ortho-para de l’hydrogène.
  6. Procédé d’assemblage d’une boite froide (1) selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :
    - fourniture de l’échangeur/réacteur (3), du module (5) inférieur et du module (6) supérieur,
    - mise en place de l’échangeur/réacteur (3) sur une structure porteuse (10) du module (5) inférieur,
    - raccordement entre les portions (71) de tuyauteries de liaison en aluminium compris dans le module (5) inférieur et les portions (72) de tuyauterie de liaison en acier inoxydable compris dans l’échangeur/réacteur (3),
    - positionnement du module (6) supérieur sur le module (5) inférieur,
    - fixation du module (5) inférieur au module (6) supérieur,
    - réalisation des jonctions entre les portions (71) de tuyauterie de liaison en aluminium et les portions (72) de tuyauterie de liaison en acier inoxydable.
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