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  • GAZ NATUREL LIQUEFIE : Procds et Technologie

    7.9

    Rdacteur : Monsieur FLESCHRvision : 1 de 1992TRAN 92.1

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    CONCEPTION, CONSTRUCTION ET EXPLOITATION DES RESEAUXDE TRANSPORT DE GAZ

    GNL : PROCEDES ET TECHNOLOGIE

    PARTIE 1 CARACTERISTIQUES PRINCIPALES DES GNL....................................... 121 INTRODUCTION.................................................................................................... 13

    2 LES PROPRIETES PHYSIQUES.......................................................................... 163 APPROCHE THEORIQUE DES CARACTERISTIQUES................................. 173.1 RAPPEL D'EQUATIONS D'ETAT........................................................................... 183.2 EXPRESSION DE QUELQUES CARACTERISTIQUES DES GAZ...................... 18

    4 EQUATION D'ETAT DE REDLICH-KWONG................................................... 205 DEVELOPPEMENT EN MATIERE DE CALCUL SUR LES GNL ................. 215.1 COURBE D'EQUILIBRE LIQUIDE-VAPEUR........................................................ 225.2 ENTHALPIE DES GNL ............................................................................................ 285.3 MASSE VOLUMIQUE ............................................................................................. 295.4 CARACTERISTIQUES PARTICULIERES ............................................................. 355.4.1 Viscosit ..................................................................................................................... 355.4.2 Conductibilit thermique............................................................................................ 355.4.3 Coefficients de transmission surfacique..................................................................... 35

    6 CONCLUSIONS....................................................................................................... 36

    PARTIE 2 RAPPEL SUR LES MATERIAUX CRYOGENIQUES.................................. 371 LES ACIERS ............................................................................................................ 381.1 LES ACIERS AUSTENITIQUES ............................................................................. 381.1.1 Le Z 2 CN 18-10 (norme franaise) ou 304 L (norme amricaine) ........................... 381.1.2 Le Z 2 CND 17-12 (norme franaise) ou 316 L (norme amricaine) ........................ 381.1.3 L'invar Z 2 N 36 ......................................................................................................... 39

    1.2 L'ACIER 9 % DE NICKEL............................................................................................ 39

    2 L'ALUMINIUM ET SES ALLIAGES ................................................................... 392.1 L'ALLIAGE AU MAGNSIUM (NORME FRANAISE : AG 4 MC) ..................................... 392.2 LES CUPRO-ALUMINIUM OU BRONZES CRYOGNIQUES ................................................ 39

    3 LA TERRE................................................................................................................ 40

    4 LES BETONS ........................................................................................................... 40

    5 LES BOIS.................................................................................................................. 41

    6 LES MATERIAUX PLASTIQUES POUR LES JOINTS ET GARNITURES.. 42

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    7 LES MATERIAUX ISOLANTS ............................................................................. 427.1 CRITERES DE CHOIX DES MATERIAUX ISOLANTS ....................................... 427.1.1 Critres physiques ...................................................................................................... 437.1.1.1 Le coefficient de conductivit thermique............................................................................... 437.1.1.2 Impermabilit ....................................................................................................................... 437.1.1.3 Vieillissement......................................................................................................................... 437.1.2 Critres mcaniques ................................................................................................... 447.1.2.1 La masse volumique............................................................................................................... 447.1.2.2 La contraction thermique ....................................................................................................... 447.1.2.3 La rigidit ............................................................................................................................... 447.1.2.4 La tenue aux chocs ................................................................................................................. 447.1.3 Critres de scurit ..................................................................................................... 447.1.4 Critres de mise en uvre .......................................................................................... 457.1.5 Critres conomiques ................................................................................................. 457.2 LES DIFFERENTS TYPES D'ISOLANTS THERMIQUES .................................... 457.2.1 L'isolation multi-couches ........................................................................................... 457.2.2 Les produits pulvrulents et les corps fibreux............................................................ 457.2.2.1 Espace d'isolation pressuris .................................................................................................. 467.2.2.2 Espace d'isolation sous vide partiel ........................................................................................ 467.2.3 Les corps rigides......................................................................................................... 477.2.3.1 Le polystyrne expans .......................................................................................................... 477.2.3.2 Le foamglass .......................................................................................................................... 477.2.3.3. Le chlorure de polyvinyle (PVC) ........................................................................................... 477.2.3.4 Les mousses de polyurthanne............................................................................................... 477.2.4 Comparaison de la conductivit thermique de diffrents isolants.............................. 48

    PARTIE 3 LES MATERIELS CRYOGENIQUES............................................................. 491 LES RESERVOIRS CRYOGNIQUES................................................................ 501.1 GENERALITES......................................................................................................... 501.1.1 But du stockage l'tat liquide................................................................................... 501.1.2 Caractristiques gnrales du produit stock ............................................................. 501.1.3 Caractristiques gnrales des rservoirs ................................................................... 501.1.4 Le problme mcanique du stockage ......................................................................... 511.1.5 Le problme thermique du stockage........................................................................... 521.1.6 Diffrentes conceptions de rservoirs ........................................................................ 531.2 RESERVOIRS AERIENS A CUVE INTERNE AUTOPORTANTE....................... 541.2.1 Principe....................................................................................................................... 541.2.2 La cuve interne en alliage cryognique...................................................................... 551.2.3 L'isolation thermique.................................................................................................. 551.2.4 L'enveloppe externe.................................................................................................... 551.2.5 Variante : cuve interne en bton................................................................................. 561.3 RESERVOIRS AERIENS A CUVE INTEGREE ..................................................... 571.3.1 Principe....................................................................................................................... 571.3.2 Modes de ralisation................................................................................................... 571.3.3 Comparaison cuve autoportante - cuve intgre ........................................................ 58

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    1.4 RESERVOIRS AU-DESSOUS DU NIVEAU DU SOL ........................................... 591.4.1 Rservoirs semi-enterrs ............................................................................................ 591.4.2 Rservoirs enterrs ..................................................................................................... 591.4.3 Rservoirs en sol gel................................................................................................. 591.4.4 Rservoirs sous pression ............................................................................................ 60

    2 LES TUYAUTERIES CRYOGENIQUES............................................................. 612.1 CONSIDERATIONS GENERALES ......................................................................... 612.1.1 La contraction des matriaux ..................................................................................... 612.1.2 Serrage des brides et des boulons............................................................................... 622.1.2.1 Description du phnomne et observations d'exploitation ..................................................... 622.1.2.2 Solutions possibles ................................................................................................................. 632.1.3 Epreuves des canalisations ......................................................................................... 642.1.4 Pertes de charge.......................................................................................................... 652.1.4.1 Cas de conduites isoles......................................................................................................... 652.1.4.2 Cas de conduites non isoles.................................................................................................. 652.1.5 Electricit statique ...................................................................................................... 652.1.6 Givrage des tuyauteries .............................................................................................. 66

    2.2 LES TUYAUTERIES RIGIDES................................................................................ 672.2.1 Compensation des contractions .................................................................................. 672.2.2 Support des tuyauteries rigides................................................................................... 682.2.2.1 Les points fixes ...................................................................................................................... 682.2.2.2 Supports glissants................................................................................................................... 692.2.3 Mise en froid des tuyauteries rigides.......................................................................... 692.2.4 Dgazage des tuyauteries rigides ............................................................................... 692.2.5 Isolation des tuyauteries ............................................................................................. 702.2.5.1 Calcul de l'paisseur du calorifuge......................................................................................... 702.2.5.2 Moyens et mthodes d'application du calorifuge ................................................................... 72

    2.3 LES TUYAUTERIES FLEXIBLES .......................................................................... 762.3.1 Les tuyauteries flexibles classiques............................................................................ 762.3.2 Tuyauterie flexible particulire .................................................................................. 772.3.3 Problmes rencontrs en essais et en exploitation avec les tuyauteries flexibles....... 77

    3 LES ROBINETS CRYOGENIQUES..................................................................... 773.1 PRINCIPES GENERAUX ......................................................................................... 77

    3.2 DIFFERENTS TYPES DE ROBINETS D'ARRET .................................................. 783.2.1 Robinets soupapes ................................................................................................... 783.2.1.1 Principe de fonctionnement.................................................................................................... 783.2.1.2 Principaux problmes rencontrs en cryognie avec les robinets soupapes........................ 793.2.1.3 Domaine d'utilisation ............................................................................................................. 793.2.2 Robinets opercule (robinets-vannes, vannes, vannes coin...) ............................... 793.2.2.1 Principe de fonctionnement.................................................................................................... 793.2.2.2 Principaux problmes rencontrs en cryognie avec les robinets opercule......................... 803.2.2.3 Domaine d'utilisation ............................................................................................................. 813.2.3 Robinets boisseau sphrique (robinets boules, robinets tournant)........................ 813.2.3.1 Principe de fonctionnement.................................................................................................... 81

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    3.2.3.2 Principaux problmes rencontrs en cryognie avec les robinets boisseau sphrique ........ 823.2.3.3 Domaine d'utilisation ............................................................................................................. 823.2.3.4 Robinet tournant particulier................................................................................................. 823.2.4 Robinets papillon..................................................................................................... 833.2.4.1 Principe de fonctionnement.................................................................................................... 833.2.4.2 Principaux problmes rencontrs en cryognie avec les robinets papillon ......................... 843.2.4.3 Domaine d'utilisation ............................................................................................................. 843.2.5 Domaine d'utilisation des diffrents robinets d'arrt .................................................. 843.3 VANNES DE RGULATION ............................................................................................ 853.3.1 Elments constitutifs .................................................................................................. 853.3.2 Diffrents types de vannes de rgulation ................................................................... 853.3.2.1 Les vannes droites conventionnelles ...................................................................................... 853.3.2.2 Vannes cage......................................................................................................................... 863.3.2.3 Vannes obturateur rotatif ..................................................................................................... 883.3.3 Fonctions principales assures par une vanne de rgulation ...................................... 883.3.4 Particularits dues au fonctionnement cryognique................................................... 893.3.5 Principaux problmes rencontrs en cryognie avec les vannes de rgulation .......... 893.3.6 Domaine d'utilisation.................................................................................................. 90

    4 LES SOUPAPES CRYOGENIQUES..................................................................... 904.1 PRINCIPES GENERAUX ......................................................................................... 904.2 CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT ............................................................... 904.3 PRINCIPAUX PROBLMES RENCONTRS AVEC LES SOUPAPES UTILISES EN GNL......... 904.4 LES SOUPAPES A ACTION DIRECTE ET LEVEE PROPORTIONNELLE........ 914.4.1 Description sommaire d'une soupape classique ......................................................... 914.4.2 Description sommaire d'une soupape conue pour le fonctionnement en GNL ........ 92

    4.5 LES SOUPAPES A ACTION DIRECTE ET OUVERTURE INSTANTANEE ...... 934.5.1 Description sommaire................................................................................................. 934.5.2 Recherche d'amliorations sur les soupapes froides ouverture instantane............. 944.6 LES SOUPAPES PILOTEES .................................................................................... 954.6.1 Description ................................................................................................................. 954.6.2 Fonctionnement d'une soupape pilote....................................................................... 964.6.3 Utilisation ................................................................................................................... 964.6.4 Problmes rencontrs ................................................................................................. 97

    5 LES BRAS DE CHARGEMENT ET DE DECHARGEMENTCRYOGENIQUES ................................................................................................... 97

    5.1 PRINCIPES GENERAUX ......................................................................................... 975.2 LES TUBES ET L'EMBASE..................................................................................... 975.3 LES RACCORDS TOURNANTS ............................................................................. 985.3.1 Conception des raccords tournants cylindriques ........................................................ 985.3.2 Problmes rencontrs ................................................................................................. 995.4 EQUILIBRAGE DES BRAS DE CHARGEMENT .................................................. 995.4.1 Bras rfrencs par le constructeur PCMA (type Le Havre).................................... 100

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    5.4.2 Bras rfrencs par le constructeur DCMA (type Fos) ............................................ 1005.4.3 Bras rfrencs par le constructeur RCMA (type Montoir) ..................................... 1015.5 LES RACCORDS RAPIDES................................................................................... 1025.5.1 Intrt des raccords rapides ...................................................................................... 1025.5.2 Raccords rapides manuels ........................................................................................ 1025.5.3 Raccords rapides automatiques ................................................................................ 1025.5.4 Raccords rapides pour citernes routires.................................................................. 1045.5.5 Les dconnecteurs d'urgence .................................................................................... 1045.6 CONCEPTION D'UN POSTE DE DCHARGEMENT........................................................... 1055.6.1 Gnralits................................................................................................................ 1055.6.2 Dimensionnement des bras....................................................................................... 106

    6 LE TRANSFERT DU GNL ET LES POMPES CRYOGENIQUES................. 1066.1 INTRODUCTION.................................................................................................... 1066.2 DIFFERENTS TYPES DE TRANSFERTS............................................................. 1066.2.1 But ............................................................................................................................ 1066.2.2 Modes de transfert .................................................................................................... 1076.2.2.1 Par gravit simple................................................................................................................. 1076.2.2.2 Par pression motrice............................................................................................................. 1076.2.2.3 Par pompage......................................................................................................................... 108

    6.3 DEFINITION ET CONSTITUTION D'UNE POMPE CENTRIFUGE .................. 1086.4 THEORIE GENERALE DES TURBOMACHINES

    A FLUIDES INCOMPRESSIBLES ........................................................................ 1086.4.1 Avant-propos ............................................................................................................ 1086.4.2 Application du premier principe de la thermodynamique........................................ 1096.4.3 Rsultats des relations mcaniques fondamentales .................................................. 1106.5 COURBES CARACTERISTIQUES DES POMPES .............................................. 1116.6 UTILISATION DES POMPES.......................................................................................... 1126.6.1 Caractristique rsistance d'un systme ................................................................... 1126.6.1.1 Conduite unique ................................................................................................................... 1126.6.1.2 Deux conduites en parallle des altitudes Z1 et Z2 diffrentes .......................................... 1136.6.1.3 Conduites en srie ................................................................................................................ 1146.6.2 Stabilit de fonctionnement d'une pompe ................................................................ 1146.6.3 Groupement de pompes............................................................................................ 1156.6.3.1 Groupement en srie ............................................................................................................ 1156.6.3.2 Groupement en parallle ...................................................................................................... 1166.6.4 Observations sur la mise en parallle des pompes ................................................... 1166.6.4.1 Forme des courbes caractristiques (pompes diffrentes).................................................... 1166.6.4.2 Vitesse (pompes identiques)................................................................................................. 1176.6.4.3 Rgulation ............................................................................................................................ 1186.6.5 Modulation du dbit des pompes : deux procds ................................................... 1186.6.6 Squence de dmarrage des pompes ........................................................................ 1186.7 CAVITATION DES POMPES - NOTION DE NPSH............................................ 1196.7.1 Gnralits sur la cavitation ..................................................................................... 119

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    6.7.2 Etude physique de la cavitation - Illustration graphique du NPSH.......................... 1206.7.2.1 Rappel sur le pompage d'un liquide en bullition ................................................................ 1206.7.2.2 Cavitation et NPSH .............................................................................................................. 1206.7.3 Aspects pratiques...................................................................................................... 1226.7.3.1 Dfinition NPSH disponible................................................................................................. 1226.7.3.2 Diminution du NPSH requis ................................................................................................ 122

    6.8 DIFFERENTS TYPES DE POMPES A GNL......................................................... 1226.8.1 Pompes centrifuges verticales .................................................................................. 1226.8.2 Pompes immerges................................................................................................... 1246.8.2.1 Gnralits............................................................................................................................ 1246.8.2.2 Description des groupes motopompes immerges de FOS et de MONTOIR...................... 1246.8.2.3 Caractristiques et limites de fonctionnement...................................................................... 1256.8.3 Pompes centrifuges horizontales .............................................................................. 1266.8.4 Problmes particuliers des pompes GNL .............................................................. 1266.8.4.1 Garniture d'tanchit........................................................................................................... 1266.8.4.2 Lubrification......................................................................................................................... 127

    7 METROLOGIE DU GNL ET DES GAZ FROIDS ............................................ 1287.1 MESURE ET DETECTION DES NIVEAUX DE GAZ NATUREL LIQUEFIE... 1287.1.1 Les jauges de niveau................................................................................................. 1287.1.1.1 Les jauges capacitives variation continue ......................................................................... 1287.1.1.2 Les jauges ultrasons........................................................................................................... 1297.1.1.3 Les jauges mesures de pression......................................................................................... 1297.1.1.4 Les jauges flotteur ............................................................................................................. 1307.1.2 Les alarmes de niveau .............................................................................................. 1337.1.2.1 Alarmes de niveau flotteur ................................................................................................ 1337.1.2.2 Alarmes de niveau capacitives ............................................................................................. 1337.1.2.3 Alarmes de niveau pression diffrentielle ......................................................................... 1337.1.2.4 Alarmes de niveau ultrasons.............................................................................................. 134

    7.2 MESURE DE LA MASSE VOLUMIQUE.............................................................. 1347.2.1 Description succincte des diffrents types de capteurs de masse volumique........... 1347.2.1.1 Capteurs pousse d'Archimde.......................................................................................... 1357.2.1.2 Capteurs lame vibrante ...................................................................................................... 1357.2.1.3 Capteurs cylindre vibrant .................................................................................................. 1367.2.1.4 Capteurs dilectrique ......................................................................................................... 1377.2.1.5 Capteurs absorption de rayonnement Gamma................................................................... 1387.2.1.6 Procd de mesure par bullage............................................................................................. 1387.2.2 Utilisation pratique des densimtres......................................................................... 1397.2.2.1 Le problme ......................................................................................................................... 1397.2.2.2 La solution : le densimtre mobile ....................................................................................... 139

    7.3 COMPTAGE DES DEBITS DE GNL ET DE GAZ FROID................................... 1407.3.1 Introduction .............................................................................................................. 1407.3.2 Organes dprimognes ............................................................................................. 1407.3.2.1 Gnralits............................................................................................................................ 1407.3.2.2 Diaphragmes......................................................................................................................... 1417.3.2.3 Systme Annubar ................................................................................................................. 1427.3.2.4 Rotamtres............................................................................................................................ 144

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    7.3.3 Turbines dbitmtriques ........................................................................................... 1457.3.3.1 Principe ................................................................................................................................ 1457.3.3.2 Utilisation en GNL............................................................................................................... 1467.3.3.3 Utilisation en gaz froid......................................................................................................... 1467.3.4 Dbitmtres ultrasons ............................................................................................ 1467.3.4.1 Principe ................................................................................................................................ 1467.3.4.2 Utilisation en GNL............................................................................................................... 1477.3.4.3 Utilisation en gaz froid......................................................................................................... 1487.3.5 Mesure de dbit par traage...................................................................................... 1487.3.5.1 Principe ................................................................................................................................ 1487.3.5.2 Utilisation en gaz froid......................................................................................................... 1497.3.6 Conclusion................................................................................................................ 1507.4 DISPOSITIFS DE PRELEVEMENT DE GNL....................................................... 1507.4.1 Gnralits................................................................................................................ 1507.4.2 Conception................................................................................................................ 1517.4.3 Systme de prlvement ........................................................................................... 1517.4.3.1 La canne de prlvement...................................................................................................... 1527.4.3.2 L'isolation............................................................................................................................. 1527.4.4 Le vaporiseur lectrique ........................................................................................... 1527.4.5 L'ensemble antipulsatoire ......................................................................................... 1527.4.6 Les scurits ............................................................................................................. 1527.4.7 Prcision des dispositifs de prlvement.................................................................. 1537.5 CHROMATOGRAPHE EN PHASE GAZEUSE.................................................... 1537.5.1 Introduction .............................................................................................................. 1537.5.2 Principes de fonctionnement et de traitement .......................................................... 1537.5.2.1 Schma de principe .............................................................................................................. 1537.5.2.2 Grandeurs caractristiques d'un chromatogramme............................................................... 1547.5.3 Appareillage ............................................................................................................. 1547.5.3.1 Alimentation en gaz vecteur................................................................................................. 1547.5.3.2 Introduction de l'chantillon................................................................................................. 1547.5.3.3 Dtection .............................................................................................................................. 1557.5.3.4 Traitement du signal............................................................................................................. 1557.5.4 Systme COCAGNE ................................................................................................ 1567.6 DISPOSITIF D'OBSERVATION INTERNE DES RESERVOIRS DE GNL

    EN SERVICE ........................................................................................................... 1587.6.1 Description du dispositif .......................................................................................... 1587.6.1.1 L'endoscope.......................................................................................................................... 1587.6.1.2 Les systmes d'clairage ...................................................................................................... 1597.6.1.3 Les fourreaux de protection.................................................................................................. 1597.6.2 Observations effectues............................................................................................ 159

    PARTIE 4 SECURITE DANS L'INDUSTRIE DU GNL ................................................. 160

    1 INTRODUCTION.................................................................................................. 161

    2 LE COMPORTEMENT DU GNLDANS LES RESERVOIRS DE STOCKAGE ..................................................... 161

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    2.1 BRASSAGE SPONTANE OU "ROLL-OVER"...................................................... 1612.2 MECANISME DE LA STRATIFICATION DU GNL DANS UN RESERVOIR.. 1612.2.1 Stratification cre au remplissage........................................................................... 1622.2.2 Stratification spontane ............................................................................................ 1632.3 MODELISATION MATHEMATIQUE DU ROLL-OVER.................................... 1632.4 METHODES DE PREVENTION DE LA STRATIFICATION DU GNL.............. 1652.4.1 Remplissage par des orifices de brassage................................................................. 1652.4.2 Recirculation par des orifices de brassage................................................................ 1652.4.3 Remplissage par des tubes multi-orifices ................................................................. 1662.4.4 Brassage par injection de gaz ................................................................................... 1663 LES MESURES PREVENTIVES POUR EVITER OU LIMITER

    LES EPANDAGES DE GNL................................................................................. 1663.1 DISPOSITIONS TECHNOLOGIQUES A LA CONCEPTION ............................. 1663.2 VERIFICATIONS DE CONFORMITE .................................................................. 1673.3 CONDUITE ET MAINTENANCE DES INSTALLATIONS................................. 1673.4 MESURES PREVENTIVES POUR LIMITER, EN CAS D'EPANDAGE,

    LE DEBIT DE GNL ET LA DUREE DE LA FUITE ............................................. 1673.5 MESURES PREVENTIVES POUR MINIMISER

    LES EFFETS D'UN EPANDAGE........................................................................... 1683.5.1 Mesures visant limiter l'extension du nuage gazeux inflammable ........................ 1683.5.5.1 Action sur la surface mouille.............................................................................................. 1683.5.1.2 Action sur la vitesse d'vaporation....................................................................................... 1703.5.2 Eloignement des sources possibles d'inflammation ................................................. 1703.6 LES DISPOSITIFS D'ALARME ............................................................................. 1713.6.1 Les dtecteurs de GNL............................................................................................. 1713.6.2 Les dtecteurs de gaz................................................................................................ 1713.6.3 Les dtecteurs de flammes ....................................................................................... 172

    4 LES CONSEQUENCES D'UN EPANDAGE DE GNL...................................... 1724.1 PROJECTION, RUISSELLEMENT DE GNL........................................................ 172

    4.2 CAS PARTICULIER D'UN EPANDAGE DE GNL SUR L'EAU.......................... 173

    4.3 FORMATION ET DISPERSION D'UN NUAGE GAZEUX INFLAMMABLE ... 1754.3.1 Gnralits................................................................................................................ 1754.3.2 Extension et vaporisation de la nappe de liquide ..................................................... 1784.3.2.1 Effet de l'abaissement de pression........................................................................................ 1784.3.2.2 Effets de l'apport de chaleur ................................................................................................. 1784.3.2.3 Extension de la nappe sur le sol et sur l'eau ......................................................................... 1814.3.2.4 Vaporisation de la nappe liquide.......................................................................................... 1824.3.3 Dispersion des nuages de vapeurs de GNL.............................................................. 1834.3.3.1 Description du phnomne................................................................................................... 1834.3.3.2 Modlisation numrique....................................................................................................... 1844.3.3.3 Analogie physique................................................................................................................ 1904.3.3.4 Essais.................................................................................................................................... 190

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    5 LES CONSEQUENCES D'UNE INFLAMMATION D'UN NUAGE DE GNL (RAYONNEMENT DE L'INCENDIE)................................................................ 190

    5.1 DEFINITION DU RAYONNEMENT..................................................................... 1905.1.1 Rayonnements des corps noirs ................................................................................. 1905.1.2 Rayonnement des corps non noirs............................................................................ 1915.1.3 Rayonnement des gaz ............................................................................................... 1915.2 RAYONNEMENT D'UNE FLAMME DE GAZ..................................................... 1925.2.1 Facteur de transmission atmosphrique ................................................................. 1925.2.2 Facteur de forme....................................................................................................... 1925.2.2.1 Dfinition ............................................................................................................................. 1925.2.2.2 Modlisation de la flamme................................................................................................... 1925.2.3 Facteur d'mission de la flamme ........................................................................... 1935.2.4 Emittance de la flamme M ....................................................................................... 1935.2.5 Eclairement nergtique total E ............................................................................... 1935.3 APPLICATION A LA PROTECTION DES OUVRAGES .................................... 194

    6 LES MOYENS D'ACTION POUR LUTTERCONTRE UN INCENDIE DE GNL..................................................................... 194

    6.1 GENERALITES SUR LES FEUX DE GNL ........................................................... 1946.2 PROTECTION DES OUVRAGES.......................................................................... 1956.3 REDUCTION DE L'INTENSITE DES FLAMMES ............................................... 1956.4 EXTINCTION DES FEUX DE GNL ...................................................................... 198

    7 CONCLUSION....................................................................................................... 199

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    BIBLIOGRAPHIE

    Caractristiques et comportementsdu Gaz Naturel Liqufi

    F. DEWERDT

    Rappel des caractristiquesdes matriaux utilissdans l'industrie du Gaz Naturel Liqufi

    J.C LE DIRAISON

    Matriaux cryogniquesautres que les matriaux

    J.C LE DIRAISON

    Isolants O. MARCEL

    Rservoirs de stockages de GNL P. REBOUX

    Robinets soupape tuyauteries cryogniques

    J.C. LE DIRAISON

    Isolations des installations cryogniques E. FLESCH

    Les bras de dchargement J.C. LE DIRAISON

    Transfert du GNL B. LECOMTE

    Mtrologie mesure des diffrentes caractristiques

    J.C LE DIRAISON, M. AVALLET

    La scurit dans l'industrie du GNL J.C LE DIRAISON, D. NEDELKA,O. MARCEL, P. MOUSSET

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    PARTIE 1CARACTERISTIQUES PRINCIPALES DES GNL

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    1 INTRODUCTIONLes principales questions que l'on se pose lors de la prvision d'oprations mettant enuvre du GNL sont les suivantes :- quelles sont les proprits thermophysiques connatre en priorit ?- de quelles mthodes de calcul dispose-t-on pour accder ces proprits et quel en

    est le domaine de validit ?Autant de questions auxquelles l'objectif de ce cours est de rpondre.Afin de mieux discerner la diversit des besoins, il suffit d'numrer les diffrentesoprations sur le GNL depuis sa production jusqu' sa regazification. Les principalestapes sont :- liqufaction,- stockage transfert,- transport,- dchargement stockage,- ajustement ventuel,- regazification.Toutes ces oprations s'effectuent des niveaux de pression et de temprature trsdiffrents et sont gnralement le sige d'une formation de deux phases l'une liquide,l'autre gazeuse dont les compositions et les importances respectives varient selon leurnature.

    Le suivi de ce que l'on peut appeler la vie d'un GNL ncessite donc de connatre aucours de chaque tape les caractristiques et le comportement du fluide eu gard auxconditions auxquelles il doit tre soumis. Une prvision aussi exacte que possible detoutes les donnes physiques est primordiale, ne serait-ce que pour concevoir lesinstallations dans des conditions matrielles et conomiques optimales.A cela, il faut ajouter la diversification des sources de gaz naturel qui donne naissance une grande varit de liquides. Le tableau ci-aprs prsente titre indicatif quelquescompositions de GNL.

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    On constate que ces gaz s'tendent du gaz naturel libyen contenant des quantitsnotables d'hydrocarbures lourds (thane, propane, butanes etc.) jusqu'au gaz l'ALASKApratiquement constitu de mthane pur. Retenons que 1 336 gaz naturels liqufiablesont pu tre rpertoris, les compositions indiques dans le tableau prcdent englobentcette grande varit.

    2 LES PROPRIETES PHYSIQUESAu cours de la phase production du GNL les proprits affectant la composition et letaux de rcupration du liquide sont de toute premire importance. Puisque laproduction implique la sparation du gaz naturel brut en deux fractions dont l'une sera leGNL recherch, on admettra aisment que des procds de prvision des quilibresliquide-vapeur devront tre disponibles. On se souviendra ce sujet que le programmede calcul d'un quilibre liquide-vapeur conduit d'une part la composition des phasesobtenues, donc celle du GNL, d'autre part l'importance respective de celles-ci (calculde flash).La production du GNL et sa regazification ncessitent la mise en uvre d'units pourlesquelles les proprits calorifiques (enthalpies, chaleurs spcifiques, etc.) apparaissentindispensables. Le bilan de telles oprations notamment pour ce qui est de l'nergie mettre en jeu, impliquera la connaissance de ces donnes aussi bien pour la phaseliquide que pour la phase gazeuse.D'autres proprits sont particulirement importantes pour dfinir le dimensionnementdes canalisations de transfert, des sparateurs et des changeurs de chaleur. Ce sont lamasse volumique, la viscosit et la conductibilit thermique. Notons galement que lamasse volumique interviendra dans la dtermination de l'nergie transfre.

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    3 APPROCHE THEORIQUE DES CARACTERISTIQUESQu'un systme soit l'tat vapeur ou l'tat liquide, il prsente des caractristiquesphysiques dont la connaissance est indispensable pour mener dans des conditionsoptimales les oprations de production, liqufaction, transport, stockage, distribution,etc. ainsi que pour concevoir des quipements tant sur le plan de la qualit deconstruction que sur celui de la dimension.D'une manire gnrale, l'accessibilit d'une proprit physique implique laconnaissance de la composition du systme qui permet alors le calcul de donnesconstantes ou valables pour des conditions de rfrence.Il en va ainsi :- du pouvoir calorifique,- des constantes critiques,- des limites d'inflammabilit,- du poids molculaire,- de la densit par rapport l'air, etc.On peut considrer que pour de tels cas la grandeur est accessible sans trop de difficult.Seule la mise disposition des donnes de rfrence, souhaites les plus prcisespossibles, constitue le souci du physicien.Toutefois, c'est souvent en fonction de conditions prises "in-situ" que les grandeursphysiques doivent tre connues. Parmi celles-ci on retiendra dans le cas du GNL la listenon exhaustive suivante :- nergie interne,- enthalpie,- entropie,- masse volumique,- capacits calorifiques,- clrit du son,- fugacits,- viscosit,- conductibilit thermique, etc.Toutes ces caractristiques deviennent accessibles moyennant la connaissance d'une partde relations PVT, savoir des quations de gaz, d'autre part des relationsthermodynamiques.Il ne peut tre question d'entrer dans le dtail des relations thermodynamiques qui partir des expressions :

    U = Q + W (2.1)et dQ = T d S (rversible) (2.2)expriment soit la variation d'nergie interne du systme U en fonction de la chaleurajoute au systme Q et du travail fourni par le systme W, U ne dpendant que del'tat initial et de l'tat final du systme, soit la notion d'entropie. Ces principes sont :

    dU = T d S - P d V (2.3)dH = T d S + V d P (2.4)

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    et dF = S d T + V d P (2.5)auxquelles s'appliquent le thorme de GREEN liant entre elles les variations desfonctions d'tat par des relations de la forme :

    df = M d X + N d Y (2.6)diffrentielles totales exactes permettant d'accder l'expression des caractristiquesnumres prcdemment en fonction des variables P, V et T et de l mme de lescalculer au moyen soit d'quations d'tat, soit par l'application du thorme des tatscorrespondants.

    3.1 RAPPEL D'EQUATIONS D'ETATOn sait que les quations d'tat de gaz rel dcoulent de la formulation : PV = RT quidans le cas des gaz parfaits relient les paramtres pression (P), volume (V) ettemprature (T). Deux modifications interviennent gnralement dans cette relation,l'une sur la pression ou l'on prend en compte un terme correctif qui fait que P estremplac par P + , l'autre sur le volume o l'on tient compte du covolume desmolcules b qui fait que V est remplac par V - b. D'ou l'expression dans le cas d'unfluide au comportement rel :

    (P + ) (V b) = RT (2.7)Les chercheurs ont t diversement inspirs lorsqu'il s'est agi de corriger la pression sibien que parmi la centaine de modifications de l'quation d'tat des gaz parfaits on peutretenir les suivantes parmi les plus connues :

    Le cours approfondira l'exploitation de l'quation d'tat de REDLICH-KWONG qui servle, compte tenu des amliorations apportes au cours des dernires annes, une desplus performantes.

    3.2 EXPRESSION DE QUELQUES CARACTERISTIQUES DES GAZCe cours n'abordera que les expressions gnrales des caractristiques physiques pourlesquelles une application sera envisage ultrieurement.De la relation de GREEN :

    df = M d X + N dy (2.12)

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    on peut, sans entrer dans le dtail des fondements mathmatiques, crire :

    VXN

    =

    XYM

    (2.13)

    ce qui permet de traiter les relations diffrentielles de base nonces prcdemment. Enconsquence, on obtient :

    SVT

    = -

    VSP

    (2.14)

    SPT

    =

    PSV

    (2.15)

    TVS

    =

    VTP

    (2.16)

    TPS

    =

    PTV

    (2.17)

    Ces relations sont connues sous l'appellation de relations de MAXWELL et relient entreeux les paramtres P, T, V et S. Elles permettent d'une part l'aide d'une quation d'tat(f (P, V, T) = 0) et des relations diffrentielles de base d'accder la plupart descaractristiques thermodynamiques sous forme analytique.A titre indicatif, l'expression de l'enthalpie rsultera d'une combinaison des relations 2.4et 2.17 savoir :

    dH = T d S + V d Pet

    TPS

    = -

    PTV

    Si l'on cherche connatre le long d'une isotherme les variations de l'enthalpie enfonction de la pression, il advient que :

    TPH

    = T TP

    S

    + V

    d'o

    TPH

    = V PT

    V

    (2.18)

    Ainsi, l'enthalpie devient accessible l'aide d'une quation d'tat.

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    Les principales fonctions thermodynamiques peuvent tre obtenues par les expressionsanalytiques suivantes :-

    Capacit calorifique pression constante :

    T

    P

    PC

    = T P

    2V

    T2

    (2.19)

    - Capacit calorifique volume constant :

    T

    V

    VC

    = T V

    2

    P2

    T

    (2.20)

    - Diffrence des capacits calorifiques :

    CP CV = T PT

    V

    VTP

    -

    Energie interne :

    dU = CV dT +

    P - TP

    TV

    dV (2.21)

    - Enthalpie :

    dH = CP dT +

    PTV

    T - V DP (2.22)

    - Entropie :

    dS = T

    CP dT -

    VTV

    (2.23)

    Il nous faut limiter cette numration, l'objet de ce cours n'tant pas de passerfondamentalement en revue toutes les relations thermodynamiques propres auxcaractristiques physiques des gaz. Pour rester dans un domaine plus concret, uneexploitation de formulations peut tre entreprise en prenant pour exemple l'quationd'tat de REDLICH-KWONG.

    4 EQUATION D'ETAT DE REDLICH-KWONGRappelons l'expression de cette quation :

    P = b - V

    RT -

    b) (V V Ta

    +(2.11)

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    dans laquelle les constantes a et b sont relies aux donnes critiques du fluide par desrelations :

    et

    Dans le cas des mlanges l'auteur indique :

    et

    relations dans lesquelles ai et bi sont les constantes propres au constituant i dans lemlange dans lequel sa fraction molaire est xi.Plusieurs modifications ont t plus rcemment apportes cette quation, la premirepar SOAVE :

    P = b - V

    RT -

    b) (V V(T) a+

    (2.24)

    l'autre de PENG et ROBINSON :

    P = b - V

    RT -

    b) - (V b b) (V V(T) a++

    (2.25)

    Ces divers ajustements ont eu pour but d'amliorer les performances soit dans le cas decalculs d'quilibre liquide vapeur soit pour les calculs de caractristiques physiques desgaz. Notre propos ne consiste pas ici numrer les mrites respectifs de cesmodifications, la situation sur le plan des performances tant en constante volution.

    5 DEVELOPPEMENT EN MATIERE DE CALCUL SUR LES GNLLes donnes souhaites le plus frquemment au cours des oprations impliquant le GNL savoir production, transport stockage et regazification peuvent ainsi tre numres :- courbe d'quilibre liquide-vapeur,- enthalpie,- masse volumique,ce qui n'limine pas pour autant l'intrt que l'on doit ncessairement avoir pourd'autres telles viscosit, conductibilit thermique, capacits calorifiques, etc. Labibliographie abonde en informations sur les trois caractristiques des GNL citesprcdemment. On peut, pour chacune d'elles, faire un point de la situation sur le plandu calcul en essayant de prciser les possibilits actuelles des mthodes.

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    5.1 COURBE D'EQUILIBRE LIQUIDE-VAPEURLa connaissance de la courbe d'quilibre liquide-vapeur des GNL s'impose en diversescirconstances. Parmi les motivations qui ont le plus souvent retenu l'attention, on noterad'une part les coordonnes d'quilibre savoir pression et temprature dans lesrservoirs de stockage ceci afin de contrler la marge de scurit qui spare l'tat duGNL de son entre dans le domaine biphasique d'autre part, la position des pointsparticuliers notamment cricondembar et point critique) en partie haute de la courbed'quilibre liquide-vapeur qu'il est important de connatre au moment de dfinir lesconditions de regazification du GNL. A titre indicatif la courbe de la figure n 3.1rappelle les coordonnes de pression de temprature d'un gaz naturel liqufi et les deuxdomaines d'intrt qui viennent d'tre signals.Les gaz naturels liqufis peuvent tre d'origine trs diffrente et cela se concrtise auniveau de leur comportement ainsi sur la figure n 3.2. On peut en premier lieu constaterque ce serait un tort d'assimiler les GNL au mthane et qu'ensuite pour une pressiond'quilibre de 1 060 mbar les tempratures de bulle s'chelonnent entre 108 et 113 K cequi n'est pas ngligeable eu gard la prcision que l'on exigera de certaines mthodesde calcul de caractristiques.Par ailleurs, une tude de l'Institute of Gas Technology permet de mettre en vidence lesformes diverses, en fonction de la composition du gaz liqufi, du domaine biphasique.La figure n 3.3 met en vidence d'une part les niveaux trs variables de pression et detemprature adopter en vue de regazifier le GNL pour viter d'entrer dans leschangeurs dans un domaine biphasique, d'autre part les risques trs variables encourusd'un GNL l'autre en cas de traverse imprvue dans ces domaines et ceci compte tenudu T existant entre courbes de bulle et de rose pour une mme pression.Ceci montre toute l'importance des tudes sur les quilibres liquide vapeur des GNL etplus particulirement de la confrontation des mthodes.Les mthodes exposes constituent un choix possible et ne signifient en aucune faonque les propositions quasi permanentes apparaissant dans la littrature spcialise nesont pas dignes d'intrt. On retiendra que toute valuation doit comporter uneconfrontation exprience-calcul.La premire mthode repose sur une version rcente de l'quation, de REDLICH-KWONG prsente par JOFFE et ZUDKEVITCH en 1969. Sa forme est celle qui estindique prcdemment. L'amlioration apporte par JOFFE et ZUDKEVITCH, dans laligne de celles apportes l'quation d'origine par de nombreux chercheurs (WILSON,ROBINSON, BARNER, CHUEH, PRAUSNITZ) porte essentiellement sur le fait quechaque coefficient a et b li un corps pur est une fonction de la temprature et estcalcul partir de donnes exprimentales de faon vrifier la courbe de tension devapeur du corps pur considr.Les proprits des mlanges peuvent en outre tre prises en compte et ajustes parl'intermdiaire de coefficients d'interaction intervenant dans les rgles de mlange. Cescoefficients, pris actuellement comme des constantes, ne dpendent que du couple deconstituants choisi et sont calculs partir d'un nombre aussi grand que possible dedterminations exprimentales d'quilibre liquide vapeur (flash).Cette mthode est particulirement adapte aux calculs suivants : points de bulle,quilibres liquide-vapeur, facteurs de compressibilit, coefficients isentropiques etJOULE-THOMSON, enthalpies et entropies, vitesse du son et chaleurs spcifiques pression et volume constants.

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    COURBES DE BULLE DE DIVERS GNLFigure n 3.2

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    COURBES D'EQUILIBRE LIQUIDE-VAPEURDE DIFFERENTS GNL (ORIGINE IGT)

    Figure n 3.3

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    La seconde mthode repose sur une corrlation mettant en jeu les divers paramtresconduisant habituellement au coefficient d'quilibre ki indispensable pour procder tout calcul d'quilibre liquide-vapeur. Dans la prsente mthode, le coefficientd'quilibre d'un constituant dans un systme est une fonction de son coefficient defugacit dans la phase vapeur (iv) d'activit dans la phase liquide du systme iL. Ainsi,on obtient suivant la relation :

    On peut rappeler que ces trois coefficients sont accessibles de la manire suivante :- Coefficient de fugacit : une quation P.V.T.- Coefficient de fugacit dans le liquide pur : une expression faisant intervenir

    notamment P, T, Pc, Tc et le facteur acentrique de PITZER .- Coefficient d'activit dans la phase liquide : une corrlation empirique faisant

    intervenir des "paramtres de solubilit" (dits de HILDERBRAND) de tous lesconstituants de la phase liquide.

    Actuellement, cette mthode, rfrence K 75, permet de calculer les quilibres liquide-vapeur, les courbes de bulle et de rose ainsi que les enthalpies et entropies.La troisime repose sur l'quation d'tat de REDLICH-KWONG modifie par SOAVE.L'amlioration apporte consiste considrer que le paramtre "a" de cette quationd'tat est dpendant de la temprature. En introduisant le facteur acentrique de PITZERcomme paramtre complmentaire de cette quation, on aboutit une nouvellecorrlation du paramtre "a". Cette mthode a conduit des rsultats satisfaisants pourles calculs de courbes de rose et d'quilibre liquide-vapeur.On peut procder une confrontation exprience-calcul de multiples faons. Lesspcialistes font couramment usage du coefficient d'quilibre R qui dfinit en fait lepartage d'un constituant entre les phases vapeur et liquide et expriment en termes de %de dviation les valeurs de R donnes par des mthodes examines et les valeurs derfrence. Il semble plus concret de porter en coordonnes pression-temprature lescourbes de bulle et de rose. La figure n 3.4 montre une confrontation type.Il n'est gure possible de faire un inventaire des performances respectives des dizainesde modles publis ce jour. On peut pourtant annoncer qu'aux pressions de rgulationdu GNL dans les stockages le point de bulle est connu 0,5 K. Les performances sontmoins favorables au-del d'une dizaine de bars (1 2 K). Une question importante reste rsoudre, elle est lie aux performances encore mdiocres des mthodes de calculdcrivant le comportement du GNL entre le point critique et le cricondembar, ladtermination de la position de ces deux points tant galement une des proccupationsd'exploitation.Au sujet de l'quilibre des GNL et avant d'aborder les autres caractristiques, onremarque que :- pression donne, la temprature de bulle d'un GNL dpend fortement de sa teneur

    en azote. D'une manire gnrale, on constate qu' la pression normale d'quilibredans les stockages, la temprature dcrot de 0,25 K pour tout accroissement du % enazote de 0,1.

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    COURBE DE SATURATION D'UN GNLFigure n 3.4

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    - l'tendue du domaine biphasique est fortement dpendante de la teneur deshydrocarbures lourds dans le GNL. Il en va de mme et pour les mmes raisons de laposition du cricondembar.

    5.2 ENTHALPIE DES GNLLorsqu'on procde une revue des articles spcialiss en matire de calcul decaractristiques de GNL, on s'aperoit que les donnes enthalpiques retiennent trssouvent l'attention des scientifiques. Cet intrt n'est pas l'effet du hasard. Pour s'enconvaincre, il faut avoir l'esprit que les bureaux d'tude ont faire face une demandecroissante d'quipements de plus en plus importants ayant fonctionner dans desconditions optimales pour la production, le transport, le stockage et la regazification.Des donnes imprcises ncessitent de prendre en compte des facteurs de scurit,notamment dans les units de liqufaction occasionnant un surcot qui pourrait trevit si l'on disposait de donnes plus exactes. L'enthalpie est une des caractristiquesconcernes par ce problme.Les confrontations exprience-calculs demeurent encore sujettes caution aujourd'huidans la mesure o les auteurs ne garantissent pas toujours dans tous les domaines depression et de temprature les donnes enthalpiques. Par ailleurs, les exprimentationsconcernent aussi des domaines pour lesquels un systme monophasique peut se spareren deux phases. On se rend compte ds prsent de la ncessite de procder d'abord un calcul de flash avant de procder au calcul d'enthalpie proprement dit.Le programme calcule la variation d'enthalpie molaire isotherme du GNL par larelation :

    puis la variation d'enthalpie du systme concern l'tat idal, savoir pour P = 0 par larelation :

    i dsignant l'indice du constituant, xi sa fonction molaire. Les enthalpies partiellesmolaires idales Hi sont extraites de documents de rfrence parmi lesquels l'AmricainPetroleum Institute (Research Project n 44 API RP 44) est le plus connu.Gnralement, l'enthalpie de tout constituant l'tat idal est nulle la tempratureabsolue nulle (Hi = 0 P = 0, T = 0K).Dans un tel processus de calcul d'enthalpies de GNL, la connaissance de l'quilibreliquide-vapeur est primordial puisqu'il dfinit une pression et une temprature donnesla rpartition du systme concern entre les phases liquide et vapeur la fois sur le plande la composition et de la proportion massique. En consquence, une quation d'tatdestine au calcul de l'enthalpie devra galement tre performante pour la provision d'unquilibre liquide-vapeur sinon une mthode conduisant une meilleure valuation decet quilibre devra lui tre associe.

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    Les figures n 3.5, n 3.6 et n 3.7 prsentent les diagrammes enthalpiques du mthaneet d'un gaz naturel et laissent apparatre que, d'une part, dans le cas du mthane pur, lacoexistence de deux phases ne se produit que pour des couples de pression-tempraturebien dfinis, d'autre part, pour les GNL, le passage dans le domaine biphasique seproduit pour des couples variables correspondant des proportions variables de deuxphases en coexistence d'o des enthalpies trs diffrentes selon l'tat du systme.Nous ne pouvons aborder dans ce cours toutes les mthodes conduisant aux enthalpies.Deux cas se prsentent la lumire de ce qui vient d'tre dit :- le systme est monophasique : une quation d'tat type d'tat REDLICH-KWONG

    est applicable- le systme est biphasique : une quation d'tat ou une corrlation particulire

    dtermine dans un premier temps la dcomposition d'une mole de GNL en 1 mole deliquide et v mole de gaz (v + 1 = 1) dont les compositions sont dtermines par lecalcul de flash. L'nergie calculer se dcompose ainsi en une nergie en phaseliquide et une nergie en phase vapeur, toutes deux calculables par la mthodedcrite prcdemment.

    En consquence, les quations d'tat conviennent bien au calcul des enthalpies de GNL.Ceci tant, quelles performances peut-on s'attendre aujourd'hui dans le calcul d'unetelle donne ? Des ouvrages spcialiss, on peut retenir que :- pour la phase vapeur, les enthalpies peuvent tre connues 2 % et la plupart du

    temps 1 %,- dans le domaine liquide, les carts s'accroissent pour atteindre parfois 5 %,- dans le domaine biphasique, le plus dlicat, les erreurs peuvent atteindre 20 % et

    sont, ainsi que l'on pouvait s'y attendre, trs influences par la qualit des donnes decalcul d'quilibre liquide-vapeur.

    5.3 MASSE VOLUMIQUEL'objectif atteindre est une connaissance 0,1 % de la masse volumique partir dela composition et de la pression et temprature du GNL.La plupart des tudes les plus rcentes, tant sur le plan de l'exprimentation que ducalcul, sont l'uvre du National Bureau of Standards et ce sont les mthodesslectionnes l'occasion de ces travaux que nous examinerons dans ce rapide aperu.Plusieurs approches sont possibles sur le plan du calcul :- les mthodes dites de "volume en excs" pour lesquelles le volume molaire v d'un gaz

    naturel liqufi en quilibre sa pression et sa temprature de bulle peut tre calcul l'aide de la relation :

    dans laquellexi est la fraction molaire de chaquevi le volume molaire de chaque constituant la temprature d'quilibre (soit le

    calcul)vE un volume dit "en excs"

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    DIAGRAMME ENTHALPIQUE D'UN GNLFigure n3.7

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    Des relations empiriques donnent accs aux vi et des graphiques fournissent les valeursde vE en fonction de l'importance des constituants autres que le mthane dans lemlange.- les quations d'tat sur lesquelles il n'est plus ncessaire de nous appesantir, le calcul

    consistant rsoudre l'quation afin de trouver les valeurs du volume la satisfaisant,- les relations empiriques dont la plus connue est celle de WATSON. Cette mthode

    permet, partir de la pression, de la temprature et de la composition du gaz naturelliqufi, de calculer la masse volumique au moyen de la relation :

    dans laquelleM est la masse molaire du mlange le coefficient d'expansion du liquidea un facteur caractristique du mlange gazeuxL'auteur de la mthode publie les valeurs de adopter pour le calcul en fonction descoordonnes rduites Pr et Tr du mlange. Quant a, il est fonction des coordonnescritiques Pc et Tc du mlange.Seules les deux premires filires de calcul sont susceptibles de satisfaire aux critres deprcision infrieurs 0,2 %. Dans le premier cas, on retiendra essentiellement lamthode de KLOSEK et Mc KINLEY, dans le second cas, la mthode dite des tatscorrespondants (association d'une quation d'tat pour le mthane par GOODWIN etd'une fonction d'tats correspondants permettant de situer le comportement volumiquedu GNL par rapport celui du mthane) et l'quation d'tat dite "Hard Sphere'' proposepar RODOSEVITCH et MILLER.On peut extraire des nombreuses informations publies par le N.B.S. quelques donnespermettant la confrontation exprience-calcul sur des GNL (tableau ci-joint).En conclusion, on peut dire dans le cas des GNL :- la mthode KLOSEK et Mc KINLEY, trs connue et en grande partie empirique, est

    la plus facile appliquer. Elle ne ncessite pas de prise en compte de la pression duGNL dans la mesure o le calcul s'effectue proximit de l'quilibre liquide-vapeurce qui est gnralement le cas lors d'un dchargement de mthanier. Parmi lesinconvnients, on retiendra que sa performance de 0,1 % n'est respecte que dans lamesure o l'azote ou les butanes ne dpassent pas 5 %,

    - pour les tats correspondants, on peut affirmer que ce modle permet, coup sr, decalculer la masse volumique du GNL avec des carts infrieurs 0,1 % par rapportaux valeurs exprimentales. Ce modle a un seul inconvnient, il est complexe etncessite le recours des calculateurs performants;

    - pour le modle "Hard sphere", l'inconvnient majeur rside dans le fait que, lorsquela temprature du mlange approche la temprature critique d'un des constituants, lamthode s'avre dfaillante. Ainsi, dans le cas d'une prsence d'azote, en constate cetinconvnient au-dessus de 120 K. Ce modle n'est pas difficile mettre en uvre etsa performance est de 0,1 % except pour le cas d'utilisation mentionn ci-dessus.

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    CALCUL DE LA MASSE VOLUMIQUE DES GNLREPARTITION DES ERREURS DES METHODES (Donnes N.B.S. et R. Miller)

    (10 GNL - 34 mesures)

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    5.4 CARACTERISTIQUES PARTICULIERESBien que prsentant moins d'intrt que les trois caractristiques de GNL analysesprcdemment, quelques proprits mritent d'tre cites pour deux raisons. Lapremire est que, par souci de simplification et faute de donnes de rfrence, on s'estsouvent content pour les apprhender d'associer le GNL au mthane. La seconde estque, d'une part les prcisions de calcul, quoiqu'en pensent certains auteurs apparemmentoptimistes, sont nettement moins bonnes que celles obtenues prcdemment. D'autrepart, les donnes de rfrence permettant une bonne confrontation sont pratiquementinexistantes.

    5.4.1 ViscositIl existe de nombreuses formules de calcul des viscosits des mlanges d'hydrocarbureslgers l'tat gazeux et quelques-unes d'entre elles sont applicables, avec plus ou moinsde prcision, aux GNL. Parmi celles-ci, on peut citer celle de JOSSI, STIEL, etTHODOS qui est applicable aux mlanges liquides d'azote et d'hydrocarbures lgersmais dont la prcision est faible, et celle, plus rcente de GONZALES, LEE et EAKIN(de l'Institute of Gas Technology de Chicago) dont la formule a t tablie par une sriede corrlations partir d'expriences. On consultera, pour plus de dtails, laCommunication de BODLE et EAKIN (I.G.T.) au 50e Congrs de la National GasProcessors Association Houston, mars 1974, et celle de EAKIN au Congrs de l'I.G.T. Chicago, mars 1971.Les auteurs de cette formule indiquent qu'elle s'applique avec une prcision de 1 2 % dans les domaines liquides et gazeux.

    5.4.2 Conductibilit thermiqueLes travaux de l'I.G.T. ont montr que la conductibilit thermique du mthane liquidepur pouvait tre connue, avec une prcision de 5 %, pour les mlanges d'hydrocarbureslgers contenant une forte proportion de mthane (3).

    5.4.3 Coefficients de transmission surfaciqueCes coefficients, trs importants pour le calcul des appareils tels qu'changeurs, etc.,sont en gnral dtermins exprimentalement, le plus souvent sur du mthane liquidepur. Les valeurs obtenues dans diffrentes conditions in-situ ne sont pas toujoursrendues publiques car elles font partie du "know-how" des constructeurs d'appareilscryogniques.

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    6 CONCLUSIONSCe cours aura donn un aperu des possibilits des mthodes de calcul pour diffrentesapplications. On retiendra que les caractristiques physiques des GNL sont accessiblesavec plus ou moins de facilit et que, par ailleurs, en fonction de leur utilisationultrieure, elles demandent tre connues avec plus ou moins de prcision. Il n'est passurprenant de constater que la masse volumique bnficie aujourd'hui des mthodes lesplus performantes ; en effet, elle a une incidence directe sur la facturation des GNLdchargs au terminal. Les autres donnes ont des incidences conomiques moinsvidentes au premier abord ; nanmoins, elles demandent encore tre mieux connues.C'est pourquoi des travaux d'amlioration des mthodes de calcul se poursuivent et labibliographie spcialise reste abondante sur ce sujet. On peut penser que toute parutiondes donnes exprimentales plus prcises ou relatives de nouvelles compositions deGNL amnera automatiquement la reprise du processus de comparaison expriencecalcul. En consquence, hormis le domaine des masses volumiques, on peut s'attendre voir la situation voluer dans le sens d'une amlioration des performances au cours de laprochaine dcennie.

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    PARTIE 2RAPPEL SUR LES MATERIAUX CRYOGENIQUES

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    Les proprits des matriaux courants tant modifies par les basses tempratures,l'industrie du gaz naturel liquide a d chercher et mettre au point des produits dont lescaractristiques - 160 C rpondent aux besoins de stockage et de transport dumthane liquide.Ces nouveaux matriaux ne doivent, par ailleurs, pas tre trop onreux. Il faut toutefoissavoir qu'ils sont toujours plus chers que leurs homologues des industries ptrolire ethydraulique, un rapport de dix tant courant.L'expos qui suit rappelle les caractristiques des principaux matriaux cryogniques etleurs domaines d'utilisation.

    1 LES ACIERSLes aciers courants devenant cassants basse temprature, leur emploi est prohiber etl'industrie du gaz naturel liquide utilise :

    1.1 LES ACIERS AUSTENITIQUESCes aciers ne sont pas fragiles basse temprature : on dit qu'ils ne prsentent pas dezone de "transition de ductilit".Les trois principaux sont :

    1.1.1 Le Z 2 CN 18-10 (norme franaise) ou 304 L (norme amricaine)Le L de la norme amricaine signifie basse teneur en carbone. Ceci est prcis par le 2de la norme franaise qui symbolise une teneur maximale de 0,002 % de ce corps.Cet acier contient 18 % de chrome (C) et 10 % de nickel (N). Il est gnralementhypertremp, c'est--dire chauff entre 1 000 et 1 000 C pendant une demi-heure, puistremp l'air ou l'eau. Ce traitement thermique a pour but d'optimiser sescaractristiques mcaniques de ductilit. Les caractristiques de rsistance et limitelastique peuvent tre amliores par l'ajout de 0,2 % d'azote. Cette incorporationd'azote est notamment ralise dans l'alliage utilis pour la fabrication des canalisationshaute pression.Cet acier est trs utilis dans les terminaux mthaniers.

    1.1.2 Le Z 2 CND 17-12 (norme franaise) ou 316 L (norme amricaine)Cet acier, proche du prcdent, s'en distingue par incorporation d'environ 2 % demolybdne (D), ce qui amliore sa soudabilit et sa rsistance la corrosionparticulirement dans les ambiances marines.Il cote environ 30 % plus cher que le prcdent et il est gnralement rserv auxcanalisations et matriels monts sur les navires mthaniers.

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    1.1.3 L'invar Z 2 N 36L'invar est un acier austnitique oxydable. Il contient 36 % de nickel (N) et prsente uneparticularit bien connue : son coefficient de dilatation est trs faible et vaut le diximede celui de l'acier ordinaire. Corrodable, cet alliage est surtout utilis pour les paroisinternes des rservoirs.

    1.2 L'ACIER A 9 % DE NICKELL'ajout de nickel dans un acier dplace la zone de fragilit ("transition de ductilit") versles basses tempratures. Pour l'industrie du GNL (- 160 C), 9 % de nickel suffisentpour obtenir des caractristiques intressantes.La reprsentation symbolique de cet acier est : Z 10 N 9 (norme franaise) ou A 353(norme amricaine).Le 9 % de nickel tremp et revenu a des caractristiques mcaniques suprieures celles des aciers austnitiques et il est moins cher. Par contre, il est corrodable.Cet acier est utilis pour des pices soumises des efforts importants (tiges filetes parexemple) ou abrites des intempries (vannes calorifuges, parois internes desrservoirs).

    2 L'ALUMINIUM ET SES ALLIAGESL'aluminium pur ayant des caractristiques mcaniques trs mdiocres, ce mtal n'estutilis dans l'industrie du GNL qu'alli avec d'autres corps. Deux types de ces alliagessont retenir :

    2.1 L'ALLIAGE AU MAGNESIUM (NORME FRANAISE : AG 4 MC)Il contient 95 % d'aluminium (A), 4 % de magnsium (G), 0,4 % de manganse (M) et0,2 % de chrome (C). Son excellent coefficient de conductibilit le fait essentiellementutiliser dans les changeurs thermiques. Quelques cuves de GNL ont t construitesavec cet alliage lorsque son prix tait plus intressant que celui des aciers ; toutefois, desproblmes de soudabilit limitent l'paisseur des tles utilisables 5 6 cm, ce quicorrespond des capacits de rservoirs d'environ 40 000 m3.

    2.2 LES CUPRO-ALUMINIUM OU BRONZES CRYOGENIQUESLeur composition est la suivante : cuivre, environ 9 % ; aluminium, environ 9 %. Cesalliages performants, mais coteux, sont rservs des matriels labors comme lesorganes tournants des pompes par exemple.

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    3 LA TERRELe premier matriau auquel on peut penser, pour raliser des installations cryogniques,est la terre elle-mme. En effet, la conglation de l'eau contenue dans le sol donne celui-ci une rsistance mcanique permettant de l'utiliser comme stockage. La rsistancemcanique des sols gels dpend, non seulement de la temprature, mais aussi de lateneur en eau. Il faut distinguer la rsistance instantane de la rsistance au fluage quiest plusieurs fois plus petite. Cette diffrence est due la glace qui sert de ciment entreles particules du sol et conditionne la plasticit et la fluidit des terres geles.Certains sols, de type argileux gonflent en se congelant par aspiration d'eau, d'autrescomme les sables ne prsentent pas ces phnomnes. Le soulvement important observlors du gel des sols argileux s'explique non par la transformation en glace de l'eau maispar des venues d'eau dues la chute de pression partielle de la vapeur d'eau la limitede la zone congele.Deux types d'ouvrages utilisent la terre en cryognie :- les rservoirs enterrs dans lesquels le GNL est stock directement dans une cavit

    creuse dans le sol. Cette technologie intressante du point de vue scurit a connuun certain nombre de ralisations au dbut des annes 60 (rservoirs de CanveyIsland en Angleterre et d'Arzew en Algrie) mais a t abandonne pour deuxraisons : des mouvements de sols se produisent aux alentours des stockages les taux d'vaporation sont prohibitifs (les de la terre sont compris entre 1 et

    2 W/mK)- les cuvettes de rtention entourant les rservoirs ariens de gaz naturel liqufi. Dans

    ce cas d'ailleurs, un parement en bton est dispos devant la terre pour la contenirmcaniquement, ou/et la protger de l'rosion.

    4 LES BETONSLes btons sont des matriaux cryogniques ; leurs caractristiques mcaniques :rsistance la compression, module lastique, rsistance la traction, coefficient dePoisson, augmentent basse temprature, cependant que le fluage diminue. Par contre,des cycles de refroidissement-rchauffement exercent une influence dfavorable : lebton subit un endommagement d'autant plus rapide et important que le taux d'humiditest lev et le choc thermique svre.La conductivit thermique crot entre 20 C et - 170 C de 30 60 % pour un btonhumide et de 5 20 % pour un bton sec. De son ct, la chaleur spcifique du btondcrot avec la temprature ; cette rduction serait de l'ordre de 50 % - 170 C.Les btons tant gnralement arms, il est ncessaire de tenir compte dans touteralisation du comportement structural bton-armature. Au refroidissement, les cartsobservs entre les contractions des matriaux bton et aciers induisent des contraintesinternes : le bton humide prsente dans une premire phase une dilatation due a laformation de glace, puis une rtraction et - 165 C, il subsiste un cart relativementnotable entre les dformations des deux matriaux. Les cycles thermiques entre + 20 Cet - 165 C entranent un endommagement du bton plus ou moins prononc.

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    Le bton est utilis de deux faons en cryognie : - comme barrire mcanique primaire pour contenir le GNL (exemple rservoir de

    Barcelone). Cette technologie a tendance tre abandonne car le bton supportantmal les cycles thermiques, de tels rservoirs ne peuvent que trs rarement trerchauffs.

    - comme barrire secondaire destine contenir le GNL en cas d'incident sur labarrire primaire. Cette technologie augmente considrablement la scurit desrservoirs ariens. Un usage driv consiste galement utiliser des btons isolants(le bton collodal par exemple) sur les surfaces des caniveaux ou de piges destins recueillir du GNL en cas d'incident dans une installation. Dans tous ces usages, lasensibilit du bton au cycle thermique n'est pas un problme et sa rsistance auxchocs, au feu et aux basses tempratures en fait un matriau idal.

    5 LES BOISToutes les caractristiques des bois augmentent lorsque la temprature diminue et ils neprsentent pas de fragilits particulires en froid. C'est pourquoi des cales de bois sontutilises en isolation lorsque l'on veut la fois une rsistance mcanique satisfaisante etune conductivit thermique faible.

    QUELQUES CARACTERISTIQUES DE BOIS( temprature ambiante)

    Toutefois, le bois employ en l'tat prsente trois dfauts en froid :- il se fissure,- ses caractristiques mcaniques sont disperses,- il se contracte dix fois plus dans le sens transversal que dans le sens des fibres (pas

    de stabilit dimensionnelle).

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    Pour viter ces inconvnients, on utilise souvent le bois sous forme de contre-plaquform de feuilles superposes colles dont les fibres sont diversement orientes. Lecomportement basse temprature des colles utilises conditionne en partie lesperformances des contre-plaqus qui, en cryognie, sont toujours du type marine. Il estbon de noter que la conductivit thermique des contre-plaqus diminue fortement avecla temprature et qu' - 160 C, sa valeur est approximativement rduite de moiti parrapport la temprature ambiante.Tous les navires mthaniers dont les cuves sont construites suivant une techniquemembrane utilisent le contre-plaqu comme isolation et support mcanique et l'uned'entre elles se sert de ce matriau comme barrire secondaire.

    6 LES MATERIAUX PLASTIQUES POUR LES JOINTSET GARNITURESLe caoutchouc, devenant fragile basse temprature, ne peut pas tre utilis en froid.On lui substitue pour les joints et garnitures les matriaux suivants :- des mlanges d'lastomres synthtiques et d'amiante : ce sont des produits dont les

    noms commerciaux se terminent souvent en "ite" : permanite, vulcorite, klingrite...La prsence d'amiante impose quelques contraintes d'utilisation comme l'interdictionde meuler ces produits par exemple,

    - le polyttafluortylne utilis soit pur (dnomination commerciale tflon) soit chargpar exemple de verre (dnomination commerciale : Kel F).

    7 LES MATERIAUX ISOLANTS

    7.1 CRITERES DE CHOIX DES MATERIAUX ISOLANTSUne bonne isolation doit rpondre 5 types de critres :- des critres physiques,- des critres mcaniques,- des critres de scurit,- des critres de mise en uvre,- des critres conomiques.

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    7.1.1 Critres physiques

    7.1.1.1 Le coefficient de conductivit thermiqueLe coefficient de conductivit thermique () caractrise la proprit d'un matriau conduire la chaleur. Il satisfait la loi nonce par FOURIER qui s'exprime de faonsuivante :

    Avec :dS : lment de surface : conductivit thermique du milieu (W/mK)x : normale la surface dS : flux thermique au travers de ds (W)d : cart de temprature entre deux points situs de part et d'autre de la surface ds

    et distants de dxt : temps (s)Q : quantit de chaleur transmise (J)Les isolants utiliss en cryognie ont gnralement un coefficient de conductivitthermique infrieur 0,050 W/mK La valeur de cette caractristique varie avec latemprature.

    7.1.1.2 ImpermabilitA la diffrence des canalisations vapeur, le froid dans le cas du GNL est l'intrieur dela tuyauterie ; l'humidit atmosphrique a donc tendance pntrer dans le calorifugepour former du givre ou de la glace. Les coefficients de conductivit thermique de cescorps tant mdiocre ( = 0,6 W/mK pour l'eau et = 2 3,5 W/mK pour la glace de0 C - 100 C), l'isolation globale est diminue.Il est donc impratif d'utiliser un calorifuge impermable ou de le protger de l'eau aumoyen d'un revtement tanche ou encore, de protger l'espace d'isolation en lepressurisant l'aide d'un gaz sec.

    7.1.1.3 VieillissementEn dehors de la pntration d'humidit, certains calorifuges, par suite de modificationschimiques internes (ractions secondaires trs lentes, migrations de constituants...) ouexternes (modifications de structure sous l'effet des rayons ultraviolets du soleil parexemple) subissent des transformations qui altrent leurs caractristiques initialesd'isolation. Leur emploi exige des prcautions particulires dans les exploitations,terminaux par exemple, dont la dure de vie minimale est d'une vingtaine d'annes.

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    7.1.2 Critres mcaniques

    7.1.2.1 La masse volumiqueUn bon isolant doit tre si possible lger afin de ne pas alourdir les structures (cuves derservoirs, tuyauteries...) sur lesquelles il est pos.

    7.1.2.2 La contraction thermiqueSi le matriau isolant et la structure sur laquelle il est appliqu ont des caractristiquesde contraction thermique diffrentes, le calorifuge doit comporter des joints dedilatation.

    7.1.2.3 La rigiditCe critre, moins important que les prcdents, n'est tout de mme pas ngliger. Iln'est pas sans intrt, comme c'est le cas avec le polyurthanne que la rigidit du produitcompense le surcrot de poids occasionn par l'isolation.

    7.1.2.4 La tenue aux chocsLe critre concerne surtout le calorifuge des tuyauteries.Les usines de liqufaction, comme les terminaux, sont installes en bord de mer dans lesendroits soumis aux intempries, ce qui ne favorise pas les travaux dlicats sur le site.Trs souvent, les canalisations sont donc isoles par tronons prfabriqus sous abri etmontes sur le site par des moyens de levage qui peuvent provoquer des chocs. Un bonisolant de tuyauterie ne saurait donc tre fragile.

    7.1.3 Critres de scuritPour des raisons videntes, s'agissant d'installations gazires, il est indispensable que lesisolants rsistent au feu.Des normes AFNOR distinguent les matriaux en diffrentes classes suivant leursperformances :- M0 : incombustible- Ml : non inflammable- M2 : difficilement inflammable- M3 : moyennement inflammable- M4 : facilement inflammable- M5 : trs facilement inflammableCette caractristique est intressante, mais non suffisante. Il faut en effet considrer lecalorifuge dans son ensemble : isolant, enveloppe protectrice, attaches...

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    7.1.4 Critres de mise en uvreLa mise en uvre d'un isolant doit tre facile raliser mais aussi facile contrler. Lespoints particuliers d'une installation comme par exemple les compensateurs, les vanneset les supports de tuyauterie exigent une attention particulire.

    7.1.5 Critres conomiquesIls sont en quelque sorte la synthse de tous les autres. Il ne faut toutefois pas croirequ'un calorifuge puisse possder toutes les qualits et en plus tre bon march. Il y adonc un choix conomique faire qui peut varier d'une installation une autre.Par exemple, le calorifuge par coquilles de polyurthanne prfabriques est un isolantde moyenne qualit ncessitant pour sa mise en uvre beaucoup de main d'uvre peuqualifie. Il ne sera donc pas intressant dans un pays comme la France o cette maind'uvre est onreuse, mais se justifiera dans un pays en voie de dveloppement auquelil vitera une technologie importe et coteuse.

    7.2 LES DIFFERENTS TYPES D'ISOLANTS THERMIQUESLes isolants thermiques peuvent tre classs en 4 grandes familles :- l'isolation multi-couches encore appele super-isolation,- les corps fibreux,- les produits pulvrulents,- les corps rigides.

    7.2.1 L'isolation multi-couchesLa super-isolation est obtenue par l'association de matriau dit haute rflexion tellesque des feuilles d'aluminium, de cuivre, de mylar aluminis et de matriau basseconductivit thermique tel que le nylon. En maintenant l'espace d'isolation unepression infrieure 10 mm de mercure, il est alors possible d'obtenir un coefficient deconductivit thermique apparent de l'ordre de 2 10-5 W/mK. Cette trs basse valeurobtenue rsulte de la rduction de tous les modes de transfert thermique.Ce genre d'isolation est trs onreux et trouve principalement une application enlaboratoire ou en mtrologie.

    7.2.2 Les produits pulvrulents et les corps fibreuxLes produits pulvrulents les plus employs sont la perlite et la vermiculite.- La perlite est obtenue partir de roches volcaniques du type silicate d'alumine.

    Chauffes 800 C, celles-ci librent, sous forme de vapeur, l'eau contenue. Lesparticules solides restantes s'expansent pour former des billes dont la taille moyenneest de l'ordre de 0,5 mm. Des poudres encore plus fines peuvent alors tre obtenuespar broyage mcanique.

    - La vermiculite est constitue de mica exfoli, c'est--dire spar en plaquettesmicroscopiques.

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    Les corps fibreux les plus couramment utiliss par les industries du btiment et du froidsont les laines de verre et les laines de roche.Ces deux types d'isolants ont comme principal dfaut d'absorber facilement l'humidit.L'espace d'isolation est donc soit pressuris l'aide d'un gaz sec soit rendu tanche etmaintenu sous faible pression absolue.

    7.2.2.1 Espace d'isolation pressuriseLa conductivit thermique-apparente (a) est donne, en service cryognique, parl'expression suivante :

    7.2.2.2 Espace d'isolation sous vide partielComme pour la super-isolation, la conductivit apparente des produits pulvrulentscomme des corps fibreux peut tre considrablement amliore en maintenant unefaible pression absolue (10 mm de mercure) l'espace d'isolation (cf. graphique ci-dessous).

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    7.2.3 Les corps rigidesSi l'on excepte le lige qui est un corps naturel utilis l'origine de l'industrie du