Choix d'une pompe cryogénique : centrifuge ou alternative

Le choix d'une pompe cryogénique commence par une question : avez-vous besoin de débit ou de pression. Les pompes centrifuges déplacent un débit élevé à pression modérée, adaptées au transfert en vrac. Les pompes alternatives délivrent une pression élevée à débit plus faible, adaptées au remplissage de bouteilles. Le NPSH et le refroidissement précisent le choix.

De nombreuses installations cryogéniques ne nécessitent aucune pompe. La seule pression du réservoir peut suffire à déplacer le liquide lorsque la pression de refoulement requise est modeste et la distance courte, ce qui reste généralement la solution la plus simple et la moins coûteuse.

Ce guide explique quand une pompe devient nécessaire, en quoi les deux familles de pompes diffèrent, pourquoi la cavitation se comporte différemment en service cryogénique, et ce qu'il faut spécifier pour qu'un fournisseur puisse proposer la bonne machine.

Avez-vous vraiment besoin d'une pompe cryogénique ?

Un réservoir cryogénique peut refouler le liquide grâce à sa propre pression de vapeur. Le circuit de mise sous pression prélève du liquide au fond du réservoir, le vaporise et renvoie le gaz dans l'espace vapeur, ce qui augmente la pression du réservoir et fait sortir le liquide sous sa propre charge. La limite est que la pression du réservoir ne peut pas dépasser le MAWP de la cuve, ce qui plafonne la pression de refoulement disponible selon la classe de pression, et augmenter la pression du réservoir réchauffe le liquide et consomme du produit.

Le transfert par pression suffit généralement lorsque la pression de refoulement requise est bien inférieure au MAWP du réservoir, que la demande de débit est modérée et intermittente, que les pertes de charge en ligne sont faibles, et que la cuve réceptrice se trouve à une pression inférieure à celle du réservoir d'alimentation.

Une pompe devient nécessaire lorsque

• La pression de refoulement requise dépasse ce que la classe de pression du réservoir peut fournir
• Vous remplissez des bouteilles ou des cadres à haute pression
• Vous avez besoin d'un débit élevé sur une fenêtre courte, comme le déchargement programmé d'une citerne
• Vous alimentez un vaporiseur haute pression pour une fourniture de gaz à pression élevée
• La mise sous pression répétée consommerait trop de produit
• La cuve réceptrice est à une pression similaire ou supérieure à celle du réservoir d'alimentation

Si la contrainte tient à la classe de pression du réservoir plutôt qu'au débit, vérifiez ce point avant de spécifier une pompe. Notre guide sur le MAWP et la classe de pression des réservoirs cryogéniques explique comment la pression de refoulement est fixée au réservoir.

Quelle est la différence entre pompes cryogéniques centrifuges et volumétriques alternatives ?

Une pompe centrifuge utilise une roue tournante pour ajouter de l'énergie cinétique au liquide, laquelle devient pression au refoulement. Une pompe alternative utilise un piston ou un plongeur pour déplacer un volume fixe par course contre la pression présente au refoulement. Cette différence conditionne tout le reste.

Pompes cryogéniques centrifuges

• Adaptées à un débit élevé à pression de refoulement modérée, avec un débit continu et régulier et peu de pulsations
• Usages typiques : transfert en vrac, déchargement de citernes et de conteneurs ISO, transfert de réservoir à réservoir, alimentation de vaporiseurs basse et moyenne pression
• Le débit varie avec la résistance du circuit, et les modèles multi-étagés augmentent la hauteur lorsqu'un seul étage ne suffit pas
• Généralement plus simples mécaniquement, avec moins de pièces d'usure dans le circuit liquide

Pompes cryogéniques volumétriques alternatives

• Adaptées à une pression de refoulement élevée à débit plus faible, avec un débit pulsé que la conception de la tuyauterie doit accommoder
• Volumétriques, donc le débit est fixé par la course et la vitesse plutôt que par la pression de refoulement
• Usages typiques : remplissage de bouteilles et de cadres, fourniture de gaz haute pression via un vaporiseur, remplissage de remorques tubes
• Nécessite un dispositif de sécurité au refoulement, car une pompe volumétrique contre une vanne fermée continue de monter en pression
• Plus de pièces d'usure, donc l'entretien des joints et des garnitures fait partie du plan d'exploitation

Certaines stations utilisent les deux, car une seule machine contrainte de couvrir les deux usages n'en assure généralement aucun correctement.

Qu'est-ce qui détermine le choix d'une pompe cryogénique pour un usage donné ?

Le choix est une discussion sur le point de fonctionnement, pas sur la pompe. Définissez ce que le système doit faire et la machine en découle. Les paramètres ci-dessous sont ceux qu'un fournisseur vous demandera.

• Fluide de service : LIN, LOX, LAR, LNG ou LCO2, car les propriétés et les exigences de matériaux diffèrent
• Débit requis, moyen et de pointe, et si le débit est continu ou par lots
• Pression de refoulement requise au point d'utilisation, pas à la pompe
• Conditions d'aspiration : pression du réservoir, plage de niveau de liquide et géométrie de la ligne d'aspiration
• Cycle de service : fonctionnement continu, démarrages fréquents ou usage occasionnel, et le délai de refroidissement que vous pouvez accepter
• Disposition de l'entraînement, alimentation électrique et classification de zone à risque du site

Deux de ces éléments méritent d'être soulignés. Le débit de pointe, plutôt que le débit moyen, dimensionne la machine, et la pression requise au point d'utilisation, une fois comptées les pertes en ligne et au vaporiseur, détermine la hauteur nécessaire. Le service oxygène ajoute ses propres règles : les pièces mouillées doivent être compatibles oxygène et propres pour l'oxygène, avec uniquement des lubrifiants et des joints approuvés, comme l'explique notre guide sur la sécurité et la sélection des réservoirs d'oxygène liquide.

Qu'est-ce que le NPSH et pourquoi la cavitation compte-t-elle en service cryogénique ?

Le NPSH, ou hauteur nette d'aspiration disponible, est la marge entre la pression du liquide arrivant à l'aspiration de la pompe et la pression de vapeur de ce liquide à sa température. Si cette marge disparaît, le liquide se vaporise à l'intérieur de la pompe, et les bulles de vapeur qui se forment et s'effondrent perturbent l'écoulement. C'est la cavitation, qui dégrade les performances et endommage la machine.

Le service cryogénique rend cela plus difficile que le service eau pour une raison précise : le liquide du réservoir se trouve à sa température d'ébullition ou tout près, pour la pression du réservoir. Il est déjà saturé, donc le moindre apport de chaleur ou la moindre chute de pression sur le trajet vers la pompe peut amorcer une vaporisation dans la ligne d'aspiration. Les signes d'alerte en exploitation sont le bruit et les vibrations au niveau de la pompe, une pression de refoulement instable ou en baisse, et un débit qui chute sans changement de la demande.

• Le NPSH disponible est fixé par le système : pression du réservoir, hauteur de liquide au-dessus de la pompe et pertes de la ligne d'aspiration
• Le NPSH requis est fixé par la pompe et provient du fabricant pour la machine et la vitesse sélectionnées
• Le NPSH disponible doit dépasser le NPSH requis avec une marge sur toute la plage de fonctionnement
• Montez la pompe sous le niveau de liquide du réservoir chaque fois que possible, afin que la charge statique joue en votre faveur
• Gardez la ligne d'aspiration courte, droite, largement dimensionnée et à double enveloppe sous vide
• Prévoyez une ligne d'évent ou de retour pour que la vapeur de la ligne d'aspiration puisse revenir au réservoir
• Vérifiez le cas le plus défavorable, généralement le niveau de réservoir le plus bas avec le débit le plus élevé

Une tension de conception mérite d'être nommée : augmenter la pression du réservoir accroît le NPSH disponible, mais elle relève aussi la température de saturation, et un liquide plus chaud se vaporise plus facilement. La réponse est un circuit d'aspiration correctement conçu, pas simplement plus de pression au réservoir.

Pourquoi une pompe cryogénique doit-elle être refroidie avant démarrage ?

Une pompe cryogénique à température ambiante vaporisera instantanément le premier liquide qui l'atteint, si bien que la machine déplace de la vapeur plutôt que du liquide, ne produit aucun débit utile et peut être endommagée. Le refroidissement amène la pompe et sa ligne d'aspiration à la température du liquide avant le démarrage, et protège aussi mécaniquement la machine, car les composants cryogéniques se contractent en refroidissant et les jeux sont conçus pour l'état froid.

• Ouvrez la vanne d'aspiration et laissez le liquide circuler à travers la pompe avec la ligne d'évent ou de retour ouverte
• Laissez la vapeur générée pendant le refroidissement s'évacuer vers le réservoir, pas vers la ligne de refoulement
• Attendez que du liquide, et non de la vapeur, passe dans le retour, signe que le corps de pompe est froid
• Ne démarrez l'entraînement qu'ensuite, en respectant le temps de refroidissement indiqué par le fabricant

Le temps de refroidissement représente un coût opérationnel réel. Sur une station à transferts courts et fréquents, refroidir de nouveau avant chaque démarrage réduit le débit horaire, ce qui pousse souvent la conception à maintenir la pompe froide ou à répartir l'usage entre deux machines. Le même principe s'applique au réservoir lors du premier remplissage, traité dans notre guide de mise en service des réservoirs cryogéniques.

Quels usages les pompes assurent-elles en station de remplissage et au déchargement ?

Déchargement de citernes et de conteneurs ISO

Le déchargement est un usage à débit élevé et pression modérée avec une contrainte de temps, puisque le véhicule attend. Certaines citernes routières transportent leur propre pompe, auquel cas le site receveur peut n'en avoir besoin d'aucune, donc vérifiez à l'avance si le véhicule livreur pompe ou s'appuie sur un transfert par pression. Lorsque le site fournit la pompe, une machine centrifuge est le choix habituel, comme l'explique notre aperçu des conteneurs-citernes ISO pour le transport cryogénique.

Remplissage de bouteilles et de cadres

Le remplissage de bouteilles à haute pression est l'usage classique de la pompe alternative. La pompe augmente la pression du liquide, un vaporiseur haute pression le convertit en gaz, et le gaz remplit les bouteilles. Le débit est modéré, la pression est élevée et l'usage est répétitif, donc la protection par soupape de sécurité au refoulement est essentielle.

Stations LNG et alimentation de process

Les stations LNG varient largement. Certaines reposent sur la pression du réservoir et un vaporiseur sans aucune pompe, tandis que d'autres utilisent une pompe pour la distribution ou pour alimenter un skid de regazéification haute pression, avec une classification de zone à risque applicable à l'équipement. Notre check-list des équipements de station satellite LNG en détaille l'ensemble.

Que faut-il spécifier d'autre autour de la pompe ?

Une pompe est un composant d'un système. La plupart des problèmes de pompe signalés sur des sites cryogéniques proviennent de la ligne d'aspiration, des commandes ou de la procédure d'exploitation plutôt que de la machine elle-même.

• Tuyauterie d'aspiration à double enveloppe sous vide ou bien isolée, largement dimensionnée et courte
• Ligne d'évent ou de retour vers le réservoir pour le refroidissement et l'évacuation de vapeur
• Dispositif de sécurité au refoulement, obligatoire sur les pompes volumétriques
• Protection par soupape de sécurité sur tout tronçon de ligne isolable aux deux extrémités, car le liquide cryogénique piégé se réchauffe et se dilate
• Vannes d'isolement permettant la maintenance sans vidanger le réservoir
• Instrumentation de pression d'aspiration et de refoulement, et régulation de vitesse lorsqu'un débit variable est requis

Intégrez la pompe au plan de maintenance du site plutôt que de la traiter à part. Notre calendrier de maintenance des réservoirs cryogéniques détaille les intervalles pour les équipements environnants, y compris la recommandation de relever le vide tous les 6 à 12 mois.

Comment KAF Cryogenics accompagne-t-il le choix d'une pompe cryogénique ?

KAF Cryogenics fournit les équipements qui entourent la pompe : réservoirs de stockage pour LIN, LOX, LAR, LNG, LCO2 et LPG, vaporiseurs à air ambiant et équipements de process, réservoirs MicroBulk, et équipements de transport. Cela compte pour le choix d'une pompe cryogénique car la classe de pression du réservoir, la disposition d'aspiration et l'usage du vaporiseur fixent d'abord le besoin en pompe. Bien régler ces éléments réduit souvent l'exigence de pompage, et supprime parfois entièrement le besoin d'une pompe.

• Classe de pression du réservoir choisie en fonction de la pression de refoulement réellement requise par votre process
• Capacité du vaporiseur dimensionnée selon la demande de gaz et les conditions ambiantes de votre site
• Implantation du réservoir et positions de raccordement permettant une ligne d'aspiration courte et à faibles pertes
• Équipements neufs sur spécification, ou unités d'occasion certifiées inspectées, contrôlées par END, et soumises à des essais de vide et de pression, avec dossier documentaire et garantie écrite
• Certification adaptée au marché de destination : PED 2014/68/EU avec EN 13458, ou ASME lorsque le code américain s'applique
• Livraison du stock en quelques semaines pour les unités d'occasion certifiées, contre plusieurs mois pour une fabrication neuve

Envoyez-nous l'usage : fluide, débit, pression au point d'utilisation, et ce que la station doit accomplir. Nous vous indiquerons à quoi devrait ressembler le côté réservoir et vaporiseur, et où une pompe se justifie réellement.

Questions fréquentes

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