Brevet FR2479440A1 — publié le 19811002

-1 La présente invention est relative auxéchangeurs ther- miques des installations à basse température; il s'agit ou bien d'échangeurs thermiques remplis de matière d'accumulation, ou bien de régénérateurs fonctionnant avec commutation. L'invention a pour but d'éliminer de façon économique les dépôts qui se forment à basse température sur les surfaces d'échange thermique et la matière d'accumulation de ces échangeurs. Dans la technique des basses températures, on utilise des échangeurs thermiques pour refroidir des gaz contenant des constituants condensable ("gaz humides"). Pendant la période chaude, les constituants condensables se déposent sur la matière d'accumulation et sur les surfaces d'échange thermique dans des intervalles de température déterminés. Lorsqu'on refroidit de l'air humide, par exemple, de l'eau se condense sur la matière d'accumulation à l'extrémité chaude d'un régénérateur aussitôt que l'air est refroidi en dessous de son point de rosée; ée dépôt se transforme en glace là o la matière d'accumulation est à une température inférieure à zéro degré Celsius. A l'extrémité froide d'un régénérateur, dans l'intervalle de température d'en- viron - 1200C à - 140'C, le dioxyde de carbone se sublime, il s'y forme de la neige carbonique. Dans un récupérateur fonction- nant avec commutation, il se forme des dépôts correspondants; toutefois, pour plus de simplicité, on décrira seulement ci-après les processus qui se déroulent dans le régénérateur. Pendant la période froide, ces dépôts sont à nouveau entraînés par le gaz froid introduit à l'extrémité froide du régénérateur. La durée des périodes chaude et froide est un paramètre spécifique de l'installation. En général, dans les installations à basse température, la période froide dure un peu plus longtemps que la période chaude, afin qu'avant la fin de la période froide tous les dépôts puissent autant que pos- sible être enlevés complètement. Toutefois, ainsi que l'a montré l'expérience, dans les installations à basse température fonctionnant par exemple à l'air, la résistance à l'écoulement des régénérateurs, en service permanent, augmente graduellement en quelques mois, ce qui fait que leur débit de gaz et donc le rendement de l'instal- -2- lation diminuent graduellement. Pour cette raison, il est prati- quement indispensable jusqu'ici de dégivrer complètement les régénérateurs au bout d'une durée de service d'environ un an, c'est-à-dire de réchauffer à la température ambiante les régéné- rateurs et donc toute l'installation à basse température et de les balayer avec du gaz. Aussi longtemps que le processus de dégivrage peut se coordonner avec un arrêt de toute façon nécessaire de l'en- semble de l'installation, il n'est pas gênant. Antérieurement, pourtant, on a porté à plusieurs années, sur le plan de l'ap- pareillage, la durée de fonctionnement des installations à basse température conçues pour le service permanent; aussi s'efforce- t-on d'éviter tout processus de dégivrage se situant entre deux arrêts de toute l'installation, nécessités par l'appareillage. Surtout dans les installations de grande dimension conçues pour le service permanent, les arrêts totaux causent une perte de temps et nécessitent en outre une grande dépense d'énergie. Ainsi, un problème qui se pose consiste, pendant le fonctionnement permanent de plusieurs années d'une installation à basse température de grande dimension, de ramener approxima- tivement au débit de gaz initial, sans arrêt total de toute l'installation, les régénérateurs dont le débit de gaz a dimi- nué-à un tel point à cause de constituants condensables non éliminés complètement alors que les conditions de fonctionnements ne sont pas modifiées relativement aux conditions initiales. Selon l'invention, on résout ce problème en intro- duisant pendant peu de temps, à l'extrémité froide de l'échan---- geur thermique: du gaz tiède ayant une température de 0 à 1100C et ne contenant pas de constituants condensables. Ce balayage de l'échangeur thermique s'effectue entre deux arrêts totaux de l'installation, nécessités par l'appareillage, c'est-à-dire à un intervalle de plusieurs mois. Il est vrai que l'on met hors service toute l'installation à basse température pendant quelques heures. Cependant, la partie à basse température de l'installation resteà basse température et les régénérateurs se réchauffent moins, en moyenne, que lors d'un arrêt total. L'ensemble de l'installation peut être porté à nouveau à la 3- puissance complète au bout de quelques heures. On introduit le gaz chaud autant que possible près de l'extrémité froide du régénérateur, par exemple dans l'enveloppe ae distribution ou entre celle-ci et l'extrémité du régénérateur Il quitte le régénérateur en passant par les clapets de sortie simultanément ouverts de l'extrémité chaude, le régénérateur restant approximativement exempt de pression. En outre,il est apparu satisfaisant de maintenir tout d'abord fermés les clapets de sortie de l'extrémité chaude du régénérateur et de porter le régénérateur, au moyen de gaz tiède, à une pression inférieure à celle qui règne dans le ré- générateur pendant une période chaude. Toutefois, si les valves de l'enveloppe de distribution ne sont pas fermées assez her- métiquement, il ne faut pas que la pression dans la région à basse pression de la partie à basse température de l'installatioi s'élève jusqu'à la pression de réponse de la soupape de sûreté prévue en cet endroit. Une fois que l'on a maintenu cette pres- sion dans le régénérateur pendant peu de temps, on détend le gaz aussi brusquement que possible dans le régénérateur, par les clapets de sortie de l'extrémité chaude du régénérateur. Dans le cas d'échangeurs thermiques commutables, on peut aussi, pendant une période froide, mélanger le gaz tiède au gaz froid avant l'entrée de celui-ci dans l'extrémité froide du régénérateur. La proportion de gaz tiède est comprise entre 10 et % du poids du gaz froid, la température du gaz tiède est de zé à + 1100C. Afin qu'au bout de cette période froide on puisse directement commuter à nouveau à une ptriode chaude, il ne faut pas que la température à l'extrémité froide soit supérieure à - 1550C. Dans ce procédé, la puissance de l'installation à basse - température est pratiquement maintenue en totalité. Toutefois, dans ce procédé, les dépôts du régénérateur ne sont pas éliminés de façon aussi pousséeque par la seule injection de gaz tiède. Le gaz tiède doit être exempt de constituants conden- sables; on le prépare, par exemple, en évaporant un gaz liqué- fié approprié c'est-à-dire existant de toute façon dans l'instal 1 ati on. La neige C02 qui existe à l'extrémité froide du régé- nérateur est approximativement éliminée en totalité si le régé- nérateur présente en tout point une température supérieure à -1100C. Le procédé peut s'appliquer au besoin à répétition entre deux arrêts totaux d'une installation à basse température fonctionnant en service permanent. On préchauffe hors de l'installation à basse température le gaz tiède dont on a besoin; aucune modification n'est néces- saire sur l'installation elle-même, à part la tubulure d'intro- duction du gaz tiède sur chaque régénérateur. Aussi longtemps que les conditions optima-les de l'in- troduction de gaz tiède ne sont pas suffisamment connues, pour une installation à basse température particulière, il est avan- tageux de surveiller l'extraction du dépôt gênant transforme à nouveau en phase gazeuse, au moyen d'analyseurs de gaz connus, dont on dispose les capteurs dans la tuyauterie de sortie de l'extrémité chaude du régénérateur. Etant donné que dans le procédé selon l'invention on évite un arrêt total supplémentaire entre deux arrêts totaux nécessités par -l'appareillage, on peut, grâce au procédé, éco- nomiser des quantités notables d'énergie. On expliquera le procédé selon l'invention par les exemples suivants, basés à titre d'exemple sur l'installation à basse température ci-après, à fonctionnement continu, destinée à la séparation des constituants de l'air: - L'installation comporte 7 régénérateurs ayant chacun un volume à vide d'environ 90 m3 et remplis chacun d'environ t de cailloux de quartz comme matière d'accumulation. L'installation absorbe environ 179 t/h (soit environ 140 000 m3/h) d'air et fournit les quantités suivantes-: t/h d'azote pur-gazeux, à 6 bar et + 150C 21 t/h d'oxygène pur gazeux, à 1,1 bar et + 150C 1,3 t/h d'azote pur liquide, à 6 bar et - 1760C 1,5 t/h d'oxygène pur liquide, à 1,1 bar et 1770C ,2 t/h de gaz froid, (pend-ant la période froide des régénérateurs). -5- L'installation a une puissance d'environ 13 MW (soit environ 476 GJ/h). La durée de service résultant de l'appareillage, entre deux arrêts totaux, est de 4 ans. La période chaude de chaque régénérateur dure 10 mn, la période froide 13 mn. Les températures aux extrémités du régénérateur, à l'état stationnaire, sont par exemple Extrémité Extrémité chaude froide période froide fin) + 200C -1650C période chaude début) période chaude fin) + 250C -1600C période froide début) Exemple Comparatif La durée de service, entre deux arrêts totaux de l'installation nécessités par le dégivrage des régénérateurs, est d'environ un an. Le temps nécessaire à l'arrêt, au dégi- vrage des régénérateurs et au démarrage est d'au moins 6 jours et nécessite une énergie d'environ 800 MWh (soit d'environ 2 800 GJ). Exemple 1 Balayage des régénérateursau gaz tiède. Au bout d4environ un an de service continu, on met l'installation hors service comme suit: on interrompt l'amenée d'air aux régénérateurs, on isole la partie à basse température de la partie des régénérateurs. Dans tous les régénérateurs-si- multanément, on introduit du gaz tiède, à savoir de l'azote réchauffé à environ + 17'C, tiré d'azote liquide. On balai chaque régénérateur pendant environ 1 heure 30 minutes avec 4,6 t/h de gaz tiède, approximativement sans pression. Dans le tuyau de sortie, on mesure continuellement la teneur en C02. -6- 2 479 in 4 0 On obtient les résultats suivants Régénérateur Débit d'air avant le Teneur en C02 Débit d'air après balayage au maximum, le balayage m3/h PPM m3/h 1 17 800 310 19 600 2 18 200 250 19 900 3' 18 300 240 19 700 4 19 500 100 19 800 17 400 280 19 700 6 18 100 270 19 500 7 17 200 350 19 800 126 500 138 000 Par "teneur en C02 au maximum", on entend la valeur maximale de la variation de la teneur en C02 en fonction du temps, enregistrée par un traceur. Le régénérateur 4 porte visiblement relativement peu- de neige carbonique. Après le balayage au gaz tiède, tous les régénérateur ont à nouveau le débit normal de 19 500 à 20 000 m /h. Le refroidissement des régénérateurs à -1650C-à l'extrémité froide dure-environ 3 heures. Au bout de 5 heures 12 minutes, l'instal- lation possède à nouveau sa pleine puissance. Le besoin d'énergie de ce processus est d'environ 44 MWh. Exemple 2 Addition de gaz tiède pendant une période froide. Dans un régénérateur, au début de la période froide, outre le gaz froid, on-introduit 3,8 t/h d'azote à + 17'C ne contenant pas de constituants condensables; la période froide dure 13 minutes. La température du régénérateur à l'extrémité froide augmente de -160'C à -1570C pendant cette période froide. Le débit du régénérateur avant cette période froide était de 17 200 m3/h, après cette période froide il est monté à 18 600 m 3/h. Ainsi le débit a augmenté moins fortement que dans le procédé -selon l'exemple 1. 7- La figure annexée montre en élévation longitudinale, à titre d'exemple, un régénérateur 1 d'une installation à basse température fonctionnant à l'air, qui est rempli de la matière d'accumulation 2. A l'extrémité chaude sont disposés le clapet d'admis- sion d'air 3 et le clapet d'échappement 4, à l'extrémité froide l'enveloppe de distribution 5 qui contient les valves anti-retour 6 et 7. Le tuyau 8 est le tuyau d'amenée de gaz froid. Le tuyau 9 est le tuyau de retrait d'air refroidi; ce tuyau contient la valve 10. Par des tubes métalliques placés dans la matière d'ac- cumulation et dont un, 11, est représenté, il s'écoule soit de l'oxygène gazeux, soit de l'azote gazeux, purs et froids. Ce gaz entre par l'extrémité froide du régénérateur, quitte le régé- nérateur par l'extrémité chaude et est conduit à l'utilisation ultérieure. Le tuyau 12 et la valve 13 servent à introduire selon l'invention du gaz tiède. Pendant la période chaude, de l'air afflue par le clapet d'admission 3 dans la matière d'accumulation 2 o il se refroidit, quitte le régénérateur par le clapet anti-retour ou- vert 7 et afflue, par le tuyau 9 et la valve 10 ouverte, à la partie à basse température de l'installation; le clapet d'échap- pement 4 et la valve anti-retour 6 sont fermés. Pendant une période froide, du gaz froid arrive, par le tuyau 8 et la valve anti-retour 6 ouverte, à l'extrémité froide du régénérateur, refroidit la matière d'accumulation et balaie les dépôts que porte la matière d'accumulation. Le gaz froid quitte le régénérateur par le clapet d'échappement 4 et arrive à l'extérieur en passant par un silencieux; le clapet d'admission 3 et la-valve anti-retour 7 sont alors fermés par la contre-pression qui règne dans le tuyau 9. Le gaz froid vient de la partie-à basse température de l'installation et se compose principalement d'azote; en outre il contient de l'oxygène et des gaz rares, mais pas de constituants condensables. 8- -. 2479L40 La valve 13 est fermée pendant le fonctionnement per- manent de l'installation. Pour introduire du gaz tiède, on ferme la valve 10 et le clapet d'admission 3; on ouvre la valve 13 et la valve anti-retour 6 se ferme. Le gaz tiède-quitte le régé- nérateur par le clapet d'échappement 4. - 9- REVENDICATIONS 2479440 1. Procédé d'élimination des dépôts gênants de gaz con- densables dans les échangeurs thermiques d'une installation à basse température à fonctionnement continu, sans arrêt total de l'instal- lation, caractérisé par le fait que l'on introduit pendant peu de temps, à l'extrémité froide de l'échangeur thermique, du gaz tiède ayant une température de zéro à + 1100C et ne contenant pas de constituants condensables. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on fait passer le gaz tiède approximativement sans pression à travers l'échangeur thermique. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on introduit du gaz tiède dans l'échangeur thermique jusqu'à ce qu'une pression prescrite soit atteinte et que l'on détend soudainement le gaz contenu sous pression dans l'échangeur thermique. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que pendant une période froide d'un échangeur thermique commutable, on mélange du gaz tiède à du gaz froid. 5. Procédé selon l'une des revendicatiorsl à 4, carac- térisé par le fait que l'on utilise comme gaz tiède, dans une ins- tallation à basse température fonctionnant à l'air, un gaz anhydre et exempt de CG2, essentiellement formé d'azote et, au maximum de 30 % en poids d'oxygène.