Chacun sait que le CO₂ est l’agent gonflant le plus difficile à maîtriser en extrusion de mousse par voie physique. Les raisons ne manquent pas : son point critique, la formation capricieuse de glace carbonique, ou encore sa masse volumique qui varie sensiblement avec la température ambiante. Pour l’utilisateur final, connaître ces éléments ne suffit pas : il faut une conception fiable pour garantir la productivité de la ligne. Je ne vais pas vous exposer beaucoup de théorie ni de terminologie. Je souhaite simplement partager notre savoir-faire pratique en matière de gestion du CO₂ dans la production de XPS.
Schéma de principe du système de gestion du CO₂
Pour bien comprendre les subtilités de chaque élément du système, commençons par expliquer notre schéma. Le schéma ci-dessous n’est pas le véritable schéma P&ID : c’est une simple esquisse destinée à vous faire comprendre comment nous maîtrisons le CO₂. Le P&ID réel est bien plus complexe et comporte des dizaines de vannes ainsi que d’autres accessoires.
| Étape | Température | Pression | État du CO₂ |
|---|---|---|---|
| Réservoir de CO₂ | environ −20 °C | 1,6–2,0 MPa | Liquide |
| Réservoir intermédiaire | environ 25 °C | 6,5-7 MPa | Liquide |
| Échangeur de refroidissement | 10 °C | 6,5 MPa | Liquide pur, prêt à être dosé |
| Fourreau de l’extrudeuse | environ 200 °C | — | Supercritique |
Réservoir de CO₂ : stockage à l’état liquide
Le CO₂ à usage industriel est normalement livré par camion-citerne transportant des dizaines de tonnes de CO₂ liquide. Il est stocké dans un grand réservoir isolé sous vide, d’une capacité généralement d’environ 25 tonnes. À l’intérieur, le CO₂ est à environ −20 °C, sous une pression comprise entre 1,6 et 2,0 MPa. Lorsque la pression augmente sous l’effet de la température ambiante, le réservoir relâche du CO₂ pour se refroidir.
Comme vous le savez, un liquide est bien plus facile à manipuler qu’un gaz. Nous nous attachons donc à maintenir le CO₂ à l’état liquide tout au long du procédé. Comme le CO₂ se vaporise très facilement en raison de sa pression de vapeur élevée, il faut trouver le bon équilibre entre pression et température.
C’est le principe sur lequel repose notre système.
Pompe de transfert : du réservoir de CO₂ au réservoir intermédiaire
Nous utilisons une pompe de transfert (booster) qui achemine le CO₂ liquide du réservoir de CO₂ vers un réservoir intermédiaire à double enveloppe, dont la température peut ainsi être régulée par un thermorégulateur à eau.
Limiter la distance
Un conseil à retenir : la distance entre le réservoir de CO₂ et le réservoir intermédiaire doit être la plus courte possible. Le CO₂ ayant tendance à se vaporiser, plus la distance est longue, plus le risque de vaporisation est élevé.
Pour cela, il est recommandé d’installer la pompe de transfert sous le réservoir de CO₂. Même ainsi, une vaporisation se produit encore de temps en temps.
Quand la pompe de transfert ne pompe plus
Lorsque la pompe de transfert ne parvient plus à pomper correctement le CO₂, c’est probablement qu’il s’est vaporisé. La vanne de purge est prévue pour ce cas : ouvrez-la pour évacuer le CO₂ vaporisé et refroidir la tête de la pompe de transfert.
Cette opération doit être menée avec beaucoup de précaution : si la vanne de purge est trop ouverte, le CO₂ risque de se transformer en glace carbonique, qui bouche la tuyauterie et met très longtemps à disparaître.
Capacité de la pompe et tuyauterie
Pour éviter cette situation, la capacité de la pompe de transfert doit être dix fois supérieure à celle de la pompe doseuse : ainsi, la pompe de transfert n’a pas à fonctionner en permanence, mais seulement par intermittence.
Il est également conseillé de prévoir une conduite de purge plus longue, afin d’éviter que la conduite d’aspiration de la pompe de transfert ne soit obstruée par la glace carbonique. Enfin, l’isolation de toute la tuyauterie du système contribue à la régularité du transfert de CO₂ et permet aussi d’économiser de l’énergie.
Réservoir intermédiaire : température et pression constantes
Le réservoir intermédiaire sert à maintenir le CO₂ à une température donnée (environ 25 °C) afin que la pression de l’ensemble du système reste stable et suffisamment élevée (6,5–7 MPa). Ces deux conditions garantissent des propriétés physiques constantes du CO₂ et le préparent à un dosage précis dans l’extrudeuse bivis. Comme je l’ai dit, la masse volumique du CO₂ varie avec la température.
Alarme de niveau à 70 % du volume
L’alarme de niveau haut du CO₂ dans le réservoir intermédiaire ne doit pas dépasser 70 % du volume total du réservoir, en prévision de tout incident : une coupure de courant en été dans une région chaude, par exemple, peut faire monter la température ambiante autour du réservoir intermédiaire. Le CO₂ peut alors passer à l’état supercritique, dont le comportement est plus difficile à maîtriser et à prévoir. Son volume augmente alors fortement et, si l’espace libre est insuffisant, le réservoir intermédiaire peut être mis en danger.
Pourquoi 25 °C
Avant d’entrer dans le réservoir intermédiaire, le CO₂ est réchauffé afin que sa température dans le réservoir atteigne la valeur prévue, normalement 25 °C. À cette température, la pression dans le réservoir intermédiaire est d’environ 6,5 MPa.
Pourquoi choisir cette température ? En Chine, 10 MPa marque la limite entre les récipients à moyenne pression et à haute pression. Un récipient à haute pression exige des certifications plus complexes et coûte plus cher. Une pression de calcul de 7 MPa maintient donc le réservoir intermédiaire dans la catégorie moyenne pression.
Échangeur de refroidissement et dosage
En sortie du réservoir intermédiaire, le CO₂ passe dans un autre échangeur, qui abaisse sa température à 10 °C. À 6,5 MPa et 10 °C, le CO₂ est à l’état de liquide pur. Or plus il est liquide, plus il est facile à doser. Dans cet état, le CO₂ peut être dosé sans difficulté dans l’extrudeuse primaire (extrudeuse bivis).
Un point important : la tête de pompe doit être refroidie par un groupe froid. En fonctionnement, les têtes de pompe dégagent de la chaleur qui peut vaporiser le CO₂ liquide et perturber le procédé.
Évacuer les poches de CO₂ gazeux
Même lorsque tous les points ci-dessus sont maîtrisés, une gestion correcte du CO₂ n’est pas encore garantie. Si une portion de tuyauterie retient du CO₂ vaporisé, le système ne fonctionnera pas correctement.
Il faut alors ouvrir la vanne de purge avec la plus grande attention pour éviter la formation de gros blocs de glace carbonique. Une vanne de purge en amont de la vanne d’injection est vivement recommandée. Dès qu’une fumée blanche (fines particules de glace carbonique) apparaît, c’est bon : refermez la vanne. Le CO₂ circule alors normalement.
Pompes et autres systèmes CO₂
Voici notre manière de maîtriser le système CO₂. Elle combine plusieurs critères : fabrication chinoise, économie, fiabilité et sens pratique. D’autres solutions permettent aussi de très bien maîtriser le CO₂. Par exemple, les systèmes LINDE PRESUS et DSD dosent eux aussi le CO₂ avec précision. Notre système est simplement conçu à partir d’équipements fabriqués en Chine.
Pompe à piston ou pompe à membrane
Notre longue expérience montre que les pompes à piston fabriquées en Chine dosent le CO₂ sans aucun problème. Leur inconvénient est un risque de fuite qui, avec le temps, est plus élevé que celui d’une pompe à membrane. Mais le CO₂ n’est ni toxique ni inflammable : ce risque n’est donc pas préoccupant. De plus, les garnitures d’étanchéité sont très bon marché et faciles à trouver. Leur remplacement peut être intégré aux opérations de maintenance courante.
En revanche, les agents gonflants inflammables comme le HFC-152a, l’éthanol, le DME ou l’isobutane sont plutôt à doser avec une pompe à membrane.
Le système CO₂ de notre laboratoire d’extrusion de mousse
Notre laboratoire d’extrusion de mousse utilise un autre système, qui gère très bien les petites quantités de CO₂, mais il est pour l’instant réservé au laboratoire. Ce système refroidit le CO₂ jusqu’à −20 °C pour l’amener à l’état de liquide pur sous une faible pression. Il fonctionne normalement avec une bouteille de CO₂ qui ne contient que quelques dizaines de kilos. Il est relativement peu coûteux et facile à utiliser.
Maintenir le CO₂ liquide tout au long du procédé
En résumé, mieux vaut maintenir le CO₂ à l’état de liquide pur pendant toute la chaîne de gestion.
Quant aux lignes de production XPS dites « au CO₂ supercritique », cette appellation vient du fait que le CO₂ passe à l’état supercritique lorsqu’il est injecté dans le fourreau, où la température avoisine 200 °C. Elle n’a rien à voir avec la gestion du CO₂ en amont.
