Les réservoirs atmosphèriques

Les réservoirs atmosphériques sont destinés à stocker des liquides sous une pression très proche de la pression atmosphérique, de manière à pouvoir stocker de grands volumes pour un coût d'investissement faible. On ne traitera ici que des stockages de produits nobles ou présentant un danger, et devant être protégés de l'air ambiant (poussières, intempéries, oxygène), d'une source d'ignition ou ne devant pas générer de contamination de l'environnement. Sont ainsi exclus de cette page les réservoirs d'eau ouverts à l'air libre.

Réservoir à toit fixe et fond plat

Il consiste typiquement en un cylindre surmonté d'un toit plat ou bien en forme de cône ou encore de dôme, solidaire de la paroi cylindrique. Ils peuvent être construits en matière plastique mais ils sont le plus souvent métalliques. Ils sont faits de tôles rivetées pour les plus anciens, boulonnées ou entièrement soudées pour les plus récents. Ces derniers sont étanches aux vapeurs et gaz.
Ils sont le plus souvent à fond plat, posé sur une semelle.

Ce sont les plus répandus car les moins coûteux à construire. Leur taille peut aller de quelques mètres à plus de 60 mètres de diamètre.

Un ciel gazeux existe continuellement au-dessus du liquide stocké.

Leur résistance à la pression ou la dépression interne est faible et donc lors du remplissage du réservoir, la phase gazeuse doit être évacuée, et lors de la vidange du réservoir, de l'air ou un gaz inerte doit être introduit.
C'est pourqoi ces réservoirs doivent être munis d'évents de respiration, et/ou d'un système d'inertage si l'entrée d'air (oxygène ou humidité) n'est pas désirée.

La respiration du réservoir peut se faire au travers d'une soupape permettant de maintenir à l'intérieur une légère surpression ou dépression (+ ou - 2mbars). Cette différence de pression avec l'atmosphère ambiante est utile pour mettre en oeuvre une injection de gaz d'inertage, ou un traitement de l'atmosphère rejetée:

• pendant la vidange, une légère dépression apparait qui déclenche automatiquement l'injection de gaz inerte avant l'ouverture de l'admission d'air atmosphérique.
• pendant le remplissage, une légère surpression permet de d'orienter l'évent du réservoir vers une unité de traitement (lavage, absorption, incinération ...) avant l'ouverture de l'échappement vers l'atmosphère

Pour éviter l'entrée d'humidité, l'évent peut être équipé d'un déssicant. Il s'agit d'une capacité remplie d'un absorbant d'humidité généralement solide (souvent du silicagel), au travers duquel l'air extérieur passe avant de pénétrer dans le réservoir. Un moyen de détecter la saturation du dessicant et un accès pour le remplacer doivent être prévu. Dans le cas du silicagel, celui-ci changeant de couleur lorsqu'il est saturé, la détection peut être simplement visuelle, si la capacité est transparente

La phase gazeuse évacuée lors du remplissage peut entraîner avec elle des vapeurs du liquide stocké.
Si les vapeurs du liquide stocké sont inflammables, l'évent sera muni d'un arrête flamme. Si elles sont toxiques ou polluantes, elles devront être traitées.

Les réservoirs à toit fixe peuvent être:
- en acier
- en polyester armé de fibre de verre ou en polypropylène pour les liquides corrosifs.

Les réservoirs à toit fixe peuvent être muni d'un écran flottant interne pour bénéficier des avantages des réservoirs à toit flottant.

Stabilité à la pression

Un réservoir à fond plat est dit stable à la pression lorsque vide et soumis à la pression maximale admissible, l'étendue de son fond reste entièrement en contact avec la fondation. Aucun soulèvement n'est observé à sa périphérie.
Pour cela, le poids total de la jupe et du toit doit être supérieur au produit de la pression interne par la surface au sol du réservoir.
La valeur maximum qu'on peut atteindre avec ce type de construction est 25mbars.

Stabilité à la dépression

Le fond d'un réservoir est dit stable à la dépression si, à vide et sous l'effet de la dépression maximale, il ne se soulève pas de la fondation. Aucun décollement ne doit être observé au centre.
Pour cela, il faut que le poids de la tôle de fond par unité de surface soit supérieur ou égal à la valeur de la dépression.
La valeur maximum qu'on peut atteindre avec ce type de construction est de 5 mbars.

Réservoir à toit flottant

Ce type de réservoir est apparu dans les années 1920 sur le continent nord américain pour limiter les émissions à l'atmosphère de vapeurs dues à la respiration des bacs à toit fixe. Ils sont réservés au stockage à pression atmosphérique de liquides peu volatils.
Ils sont constitués d'une enveloppe cylindrique verticale à l'intérieur de laquelle coulisse le toit. En raison des tolérences de dimension de l'enveloppe cylindrique, et pour garantir un mouvement libre, un espace d'environ 20cm est prévu autour du toit flottant. Cet espace est comblé par un joint souple.
Le toit repose sur la surface du liquide contenu et se déplace avec elle.
Avantages:
- pas de mouvement de phase gazeuse lors des remplissages et vidanges
- l'absence de phase gazeuse limite les risques de départ de feu

Inconvénients:
- l'étanchéité du toit est difficile à réaliser
- le coût est toujours supérieur à celui d'un réservoir à toit fixe

Réservoir à écran flottant interne

Ils sont construits avec un toit fixe, mais sont équipés, à l'intérieur d'un écran flottant à la surface du liquide. Ce sont souvent des réservoirs à toit fixe, modernisés.
L'écran flottant permet de limiter la vaporisation du liquide stocké, et de réduire (mais sans l'éliminer complètement) les émissions dues à la respiration du bac.

Chauffage et refroidissement

Pour les produits visqueux ou risquant de cristalliser par refroidissement, il peut être utile de réchauffer ou maintenir en température le liquide stocké.
Deux moyens classiques:
- un tube dans lequel circule un fluide chaud (vapeur ou eau chaude) est disposé en serpentin sur le fond du réservoir. Pour être efficace il faut que le liquide soit peu viqueux afin que des mouvements de convection puissent s'établir.
- un échangeur est placé à l'intérieur du bac au niveau de la tubulure d'extraction afin de réchauffer le liquide avant son extraction pour faciliter son transfert. Cette méthode est préférée pour les liquides visqueux.

Certains produits sensibles pouvant être dégradés par un stockage prolongé à température ambiante doivent être maintenus à basse température. Placer un serpentinau fond du bac, parcouru par un fluide réfrigérant, sera inefficace. Les couches refroidies plus denses stagneront au fond du bac, aucun mouvement de convection n'étant possible. Il faut établir une circulation mécanique soit à l'aide d'un agitateur inséré dans le bac, soit par une recirculation externe au moyen d'une pompe et retour par un canon de brassage.

Agitation et mélange

Les stockages de grande dimension peuvent être agités par canon de brassage et un circuit de pompage externe.

Les stockages de dimension moyenne peuvent être équipés d'un agitateur mécanique fixé sur la paroi du bac, l'axe disposé horizontalement.

Events de respiration

Pour les produits pétroliers, le bac doit être muni d'un évent fixe d'un diamètre au moins égal à la moitié diamètre de la tuyauterie de remplissage (arrêté du 21 Mars 1968),
ou bien un ou plusieurs évents dont la section totale est au moins égale au quart du total des sections des tuyauteries de remplissage, et muni d'un grillage évitant la propagation d'une flamme (instruction du 17 Avril 1975).
L'évent doit permettre au bac de respirer c'est-à-dire sans variation importante de la pression:
- permettre l'évacuation de l'excès de volume gazeux dû à l'échauffement au soleil (effet thermique) plus le débit correspondant à l'introduction de liquide.
- permettre l'entrée du volume d'air nécessaire pour compenser le brusque refroidissement de la phase gazeuse en cas d'orage, augmenté du débit de vidange du liquide.
Le débit correspondant aux effets thermiques est donné par les formules de Naumann jugées plus sûres que les formules de l'API:
en dépression:
débit (m³/h)=1,44.D.(D+4H)
en surpression:
débit (m³/h)=1,08.D.H
avec D: diamètre et H: hauteur en m

Dispositifs arrête-flammes

Les cuves de stockage doivent être munis d'évents de respiration qui peuvent déboucher à l'air libre.
Lorsque les vapeurs véhiculée par ces évents sont inflammables, ils forment avec l'air ambiant un mélange explosif (que la cuve soit inertée ou non).
Une inflammation accidentelle pourra être provoquée par une accumulation anormale d'électricité statique, ou par un coup de foudre.
Un retour de flamme et une explosion pourra se propager par le tube d'évent vers le réservoir.
On empêche la propagation d'une flamme en faisant passer le gaz inflammable au travers de fentes.
Leur largeur maximale est fonction de la nature du gaz et est généralement comprise entre 0.3 et 1mm.
Un autre moyen efficace employé si le gaz risque d'encrasser un système à fentes, est de faire barbotter le gaz dans un volume d'eau.

Inertage

Les produits inflammables ou sensibles à l'oxygène de l'air doivent souvent être stockés sous atmosphère inerte. L'azote est souvent employé pour cela.
Le gaz à introduire pour compenser la variation de volume gazeux doit donc être de l'azote, à un débit suffisant pour empêcher toute dépression excessive.
Le coût de l'azote justifie qu'on recherche un dispositif qui n'introduise que la quantité necessaire et suffisante.
Des dispositifs régulant la pression interne du bac à des valeurs de quelques millibars seulement permettent d'introduire des débits allant de quelques m³/h à quelques centaines de m³/h.
Cependant en cas de défaillance du dispositif, la vanne qui règle le débit d'azote peut être grande ouverte sans raison. Le gaz en excès devra être évacué par l'évent. Pour éviter toute surpression dans le bac, sa capacité doit tenir compte du débit maximum  d'azote pouvant être introduit.

Captation des COV

Les règlementations imposent des limites d'émission de composés organiques volatils dans l'atmosphère. Or la respiration naturelle des bacs atmosphèriques, due aux mouvements de liquide ou aux variations de température, est susceptible d'émettre de tels composés. C'est pourquoi les installations modernes de stockage de grand volumes intègrent un réseau de captation des évents de bacs, qui sont dirigés vers une unité de traitement et d'élimination des polluants.
Compte tenu du caractère intermitent des émissions, incompatible avec les procédés d'élimination, les polluants sont souvent d'abord absorbés et concentrés. On peut pour cela utiliser des adsorbeurs à charbon actif, ou des laveurs avec des huiles lourdes.

Soutirage

Ce type de stockage étant installé au dessus de la surface sol, le soutirage du contenu se fait naturellement en partie basse. Les piquages sont disposés légèrement au dessus du niveau du fond pour prélever au dessus d'une éventuelle couche d'impuretés décantées (boues, eau, ...).

Swing pipe

Parfois des procédures de soutirage plus complexes sont désirées. Les bacs peuvent être équipés d'une ligne de soutirage basculante (swing pipe), destinée à prélever le contenu à un niveau déterminé. Le plus souvent, il s'agit de prélever le produit situé proche de la surface. Celle-ci étant naturellement variable, un dispositif ajustable est nécessaire.
Il s'agit le plus souvent d'un tube rigide articulé à sa base. Un joint tournant au niveau de l'articulation assure l'étanchéité. L'inclinaison du tube défini le niveau du prélèvement. Le tube peut être incliné à volonté au moyen d'un treuil manipulé de l'extérieur. Il peut aussi être muni d'un flotteur pour le maintenir en permanence proche de la surface du liquide.

Il peut être muni de trous sur sa longueur pour prélever simultanément aux différents niveaux du bac. Il peut être utilisé pour brasser le contenu du bac en ramenant vers le fond le produit situé en partie haute.

En position relevée, il interdit un déversement accidentel de produit en cas de fuite sur le circuit de soutirage.