Chauffage de réservoirs de stockage

Comme indiqué plus haut, le chauffage des réservoirs de stockage dans les terminaux portuaires est obligatoire. La plupart des hydrocarbures, asphaltes, bitumes et fiouls lourds requièrent des températures supérieures à la température ambiante pour être correctement manipulés. Il s’agit de produits hautement visqueux à température ambiante, ce qui rend leur manipulation impossible dans ces conditions, que ce soit pour une opération de transport interne au sein du terminal, ou pour une distribution extérieure.

Le système de chauffage généralement adopté dans ces réservoirs est une grille ou un serpentin à travers lequel circule l’huile. Il s’agit du système le plus simple. Cette bobine peut être organisée à différentes hauteurs pour obtenir une meilleure uniformité de chauffage.

La taille de ces bobines doit être correctement choisie pour transférer toute la puissance de la chaudière à huile thermique dans le réservoir. Pour cela, les calculs d’ingénierie correspondants sont nécessaires pour déterminer une surface de chauffage suffisante ainsi qu’un diamètre et une longueur pour la tuyauterie. Cette géométrie aura sa propre perte de charge ou Delta P, qui est cruciale pour le bon dimensionnement des pompes à huile thermique et de tout le circuit hydraulique.

La masse à chauffer et l’augmentation de température doivent être connus pour un bon dimensionnement des bobines de chauffage et pour déterminer la puissance de la chaudière.

Il est indispensable de garantir la fiabilité du système de chauffage dans ce type d’application, car il est absolument essentiel d’éviter qu’une grande masse de produit se solidifie à l’intérieur du réservoir. C’est pourquoi il est habituel d’installer 2 chaudières et 3 pompes sur chaque installation, de manière à toujours disposer d’une chaudière de remplacement et de deux pompes de remplacement.

Sur certaines installations, nous trouvons aussi un réchauffeur à aspiration, en plus du serpentin de chauffage, à l’intérieur du réservoir, pour réduire la viscosité dans la zone d’aspiration. Il s’agit d’un échangeur à bec ouvert où le faisceau de tubes à huile thermique est en contact direct avec le fluide à transporter.

Le système peut être conçu pour le fonctionnement simultané ou alternatif des deux chaudières. N’importe quelle des 3 pompes peut fonctionner avec n’importe quelle chaudière en utilisant un système de vanne manuelle, comme sur le schéma ci-dessous :

Type de chauffage

Il y a deux types de base de chauffage : direct et indirect. Comme leur nom l’indique, le chauffage direct signifie que le produit contenu dans le réservoir est en contact direct avec la source de chaleur, tandis que le chauffage indirect implique un fluide intermédiaire qui transporte de l’énergie depuis le point où elle est produite (le réchauffeur) jusqu’au réservoir, où elle est ensuite transférée au produit stocké dans le réservoir.

Chauffage direct

Le chauffage direct se fait à l’aide de thermoplongeurs électriques qui sont insérés dans le réservoir de stockage. En général, on utilise trois ou quatre groupes de thermoplongeurs, placés à différents points au fond du réservoir.

C’est un système de chauffage efficace car il n’y a pas de perte entre la source d’énergie (le thermoplongeur) et le produit réchauffé.

Tout problème survenant sur un des thermoplongeurs peut être rapidement réglé en le remplaçant par un thermoplongeur neuf. C’est une opération très rapide si le réservoir est vide.

Toutefois, ce système requiert un haut niveau d’énergie électrique dans la zone du réservoir et implique une consommation d’énergie très élevée. Les thermoplongeurs installés doivent aussi être réservés à des zones classées.

La grande consommation d’énergie d’un système de chauffage direct fait que cette solution n’est pas économiquement viable dans la plupart des cas. Ce type de systèmes peuvent être adéquats pour des réservoirs à capacité réduite, ou si les réservoirs sont installés dans des zones où il est excessivement complexe d’installer un système de chauffage indirect.

Chauffage indirect

Comme indiqué plus haut, le chauffage indirect se fait par l’intermédiaire d’un circuit de transport d’énergie dans lequel le fluide porteur de chaleur circule depuis la source de chaleur (le réchauffeur) jusqu’au consommateur de chaleur (les réservoirs), où l’énergie est transférée par des bobines ou échangeurs, avant de revenir au réchauffeur. Pendant ce processus, aucune chaleur n’est ajoutée ni supprimée entre les parois frontalières du système, sauf à cause des pertes dans l’environnement, qui sont minimisées par une isolation efficace du réseau de tuyauterie.

Le fluide de transport d’énergie doit avoir des caractéristiques spécifiques pour pouvoir effectuer sa fonction de transport d’énergie efficacement et à un coût raisonnable.

Certaines de ces caractéristiques nécessaires incluent :

• Bonnes propriétés de transfert de chaleur.
• Bonne stabilité thermique afin de pouvoir être utilisé pendant de longues périodes de temps sans cesser d’être fonctionnellement stable.
• Faible viscosité sur tout l’écart de travail, particulièrement dans des conditions de démarrage, pour éviter une forte consommation d’énergie.
• Basse température de solidification, ce qui permet d’arrêter le travail de manière sécurisée pendant des périodes de temps prolongées.
• Basse corrosion sur les éléments qui font partie du système.
• Adaptation technique par rapport aux conditions spécifiques du processus.
• Faible toxicité et inoffensif pour l’environnement, de manière à pouvoir être éliminé facilement en fin d’utilisation.
• Coûts raisonnables d’achat et de maintenance.
• Faible risque pour le personnel et les machines, garantissant la sécurité et évitant des coûts élevés en cas de fuite.

Les fluides de transfert de chaleur les plus utilisés sont la vapeur et les fluides thermiques.

Même si aucun fluide de transfert de chaleur n’est en mesure de remplir à la perfection toutes les conditions ci-dessus, les huiles ou fluides thermiques sont plus efficaces que d’autres fluides de transfert de chaleur, notamment la vapeur.

Les fluides thermiques sont, de loin, le meilleur moyen de transfert de chaleur pour réchauffer des réservoirs dans des terminaux portuaires, grâce à leur grande performance technique, leur capacité à travailler à des températures élevées et à des pressions basses, leur haut niveau de précision pour déterminer la température du produit final, et aussi grâce à leur versatilité et leur souplesse.

L’absence de corrosion au niveau du réchauffeur et de l’installation constitue un avantage de taille des installations de fluide thermique comme moyen de transfert, par rapport à la vapeur, car cela signifie l’absence de fuites. Cela permet une production continue, stable et une maintenance simple.

Chauffage avec un fluide thermique

Le système de chauffage le plus simple et le plus habituel est constitué d’une grille ou d’une bobine à l’intérieur du réservoir, dans laquelle circule l’huile (Illustration 1). Parfois, particulièrement dans des réservoirs de grande hauteur, cette bobine peut être installée à plusieurs niveaux pour minimiser l’effet de convection naturelle du produit, ce qui pourrait générer des variations des couches de température.

Illustration 1.

1) Brides de connexion de fluide thermique au réservoir. 2) Réchauffeur à aspiration. 3) Bobine interne. 4 et 5) Circuit général d’huile thermique. 6) Huile thermique dans la bobine. 7) Huile thermique dans le réchauffeur à aspiration.

En général, il y a aussi un réchauffeur à aspiration (Illustration 2) à l’intérieur du réservoir, indépendant de la bobine de chauffage.

Illustration 2. Réchauffeur à aspiration.

Ces réchauffeurs sont utilisés pour chauffer les produits dans la zone d’aspiration des réservoirs de stockage, afin de réduire leur viscosité dans cette zone et de les maintenir à l’état liquide pour qu’ils puissent être correctement pompés si nécessaire, en évitant ainsi une consommation excessive d’énergie de la pompe de transfert.

Il s’agit essentiellement d’échangeurs à bec ouvert à l’extrémité de la coque située dans le réservoir, ce qui permet à une grande proportion de produit de passer dans le faisceau de tubes à travers lequel circule le fluide thermique (Illustration 3).

Illustration 3

Le fluide qui circule à travers le circuit primaire (le faisceau de tubes) est le fluide thermique, tandis que le produit situé dans le réservoir circule à travers le circuit secondaire (la coque).

L’équipement est attaché à l’aide d’une bride principale sur le côté du réservoir, dans la partie inférieure. Le produit chauffé qui sera transporté sortira par une bride installée sur la coque, à l’extérieur du réservoir.

Le système de chauffage à fluide thermique est généralement conçu avec deux chaudières d’huile thermique, étant donné l’importance d’assurer le chauffage continu sur ce type d’application. Il s’agit d’éviter à tout moment qu’une énorme masse de produit atteigne une grande viscosité ou se solidifie dans le réservoir. Ce risque est très élevé avec des produits tels que l’asphalte ou le bitume.

Une des chaudières à fluide thermique sera en mode veille, car une seule chaudière est capable de produire 100 % de la chaleur nécessaire. Parfois, il est aussi possible de travailler avec les deux chaudières en même temps, car l’écart de capacité d’une chaudière est conçu pour produire entre 60 % et 70 % de la chaleur s’il le faut. Dans les deux cas, les deux chaudières continueront à fonctionner, ce qui permet d’éviter une opération de démarrage si l’une d’elles tombe en panne.

Le circuit contient aussi trois pompes à recirculation qui peuvent fonctionner avec n’importe laquelle des deux chaudières à travers un système de vannes manuelles. Il y a deux pompes de rechange si une seule chaudière est responsable de toute la production et une de rechange si l’on choisit de travailler avec les deux chaudières (Illustration 4).

Illustration 4

Bien sûr, le projet implique toute sorte de calculs thermiques et hydrauliques pour mesurer correctement les bobines et les échangeurs et leur surface d’échange, ainsi que le réseau de tuyauteries de fluide thermique, qui est d’une importance vitale pour garantir que l’énergie qui est transportée dans chacun des réservoirs circule correctement.

Le chauffage principal peut aussi être effectué à l’aide d’échangeurs de chaleur à l’extérieur du réservoir, comme s’il s’agissait de thermoplongeurs de chauffage direct. Dans ce cas, le produit est aspiré par le réchauffeur à aspiration et circule dans ces échangeurs qui sont reliés au réservoir par des brides. Un système de vannes permet à ce dernier échangeur de fournir le produit directement pour le transport, s’il est dans de bonnes conditions, ou dans un échangeur externe qui le conduira dans le réservoir, où le processus de chauffage continuera jusqu’au moment souhaité. (Illustration 5).

Illustration 5

Le fluide qui circule à travers le circuit primaire (le faisceau de tubes) est l’huile thermique, et le produit dans le réservoir circule à travers le circuit secondaire (la coque).

Conclusion

Comme indiqué plus haut, les chaudières à combustion directe sont particulièrement adéquates pour des opérations très spécifiques, tandis que les chaudières à combustion indirecte ont des champs d’application divers et variés.

Une chaudière à combustion directe est conçue pour une opération spécifique, avec une grande sophistication technique, c’est pourquoi un changement important dans les spécifications du produit ou de l’opération peut rendre l’équipement inefficace pour le nouveau procédé.

Quant aux chaudières à combustion indirecte, elles sont beaucoup plus souples grâce à l’utilisation d’un fluide intermédiaire de transmission de chaleur. Le fait que la chaleur soit fournie par un équipement indépendant situé à l’extérieur des réservoirs suppose un avantage en ce sens, car les variations au niveau des processus ou sur les installations n’affectent pas en grande mesure l’équipement de chauffage.

L’absence de corrosion ou de fuites sur le circuit de chauffage et sur la chaudière signifie que le chauffage indirect est une solution très efficace et sûre. De plus, ce système requiert une pression de travail basse, qui correspond exclusivement au nécessaire pour dépasser la perte de charge dans le circuit hydraulique, ce qui implique de hauts niveaux de sécurité et de souplesse, en plus d’une grande précision dans le contrôle de température, indépendamment de la configuration adoptée (bobine ou échangeur externe).

Le chauffage de réservoirs de stockage dans les terminaux portuaires par un système de fluide thermique est un système qui offre des avantages indiscutables.

Illustration 6

1) Réchauffeur à aspiration. 2) Fluide thermique dans le réchauffeur à aspiration. 3) Fluide thermique dans l’échangeur de chaleur. 4) Échangeur de chaleur. 5) Tuyaux du réchauffeur à aspiration vers l’échangeur de chaleur. 6) Retour du produit dans le réservoir. 7) Produit à fournir. Pompe PO1.