Brevet FR2629903A1 — publié le 19891013

PROCEDE ET INSTALLATION DE PRODUCTION DE GLACE CARBONIQUE BROYEE A PARTIR DE DIOXYDE DE CARBONE LIQUIDE La présente invention est relative au domaine technique de La production de frigories utiles dans de nombreuses applications et utilisations et elle vise, plus particulièrement, la production de frigories à partir du dioxyde de carbone. Lorsque le dioxyde de carbone est destiné à être utilisé comme agent frigorigène à fluide perdu, il est stocké sous pression dans un réservoir à isolation thermique renforcée. Les conditions de stockage font intervenir une pression comprise entre 17 et 25 bar absolu et une température à l'équilibre comprise entre 249 et 2610 K. A partir d'un tel stockage, la production frigorifique s'effectue par détente directe du dioxyde de carbone liquide à une pression proche de la pression atmosphérique. Comme cette pression de détente est inférieure à la pression correspondant au point triple du dioxyde de carbone, soit 5,18 bar absolu, la détente produit la formation d'une phase solide et d'une phase gazeuse. Il peut être considéré qu'un kilogramme de dioxyde de carbone liquide, prélevé sous 20,9 bar absolu et à une température de 2550 K, absorbe 73,8 kilocalories pour se retrouver gazeux à une pression de 1 bar absolu et à une température de 2530 K. La restitution frigorifique s'effectue en atmosphère de dioxyde de carbone gazeux, ce qui permet de préserver les qualités des produits refroidis et, plus particulièrement, dans le domaine alimentaire. Pour une pression de 1 bar absolu, il est possible d'envisager une restitution frigorifique jusqu a un niveau de température de 1940 K. Il est cependant connu que, lors de la détente, les frigories sont véhiculées en majorité par la phase solide. Il y aurait donc intérêt à privilégier ta formation de la phase solide au détriment de la production de la phase gazeuse et, par conséquent, d'abaisser Le niveau enthalpique de la phase liquide jusqu'à la solidification. La présente invention est, justement, relative à un tel objectif et concerne un procédé et une installation pour introduire des frigories dans la phase liquide du dioxyde de carbone jusqu'à la frontière de la production de la phase solide. La présente invention a pour objet un procédé et une installation permettant de produire, à un prix de-revient particulièrement intéressant, de la glace carbonique broyée directement utilisable, à partir de dioxyde de carbone Liquide. L'invention vise un procédé et une installation particulièrement simple et fiable, capable de fournir, de façon continue, une production de glace carbonique broyée ou fragmentée, facilement utilisable dans la plupart des domaines d'application où il convient de pouvoir disposer, plus ou moins temporairement, d'une source de frigories certaine et relativement durable. Pour atteindre Les objectifs ci-dessus, le procédé conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'il consiste à - introduire, sous pression, dans un échangeur du dioxyde de carbone liquide en maintenant, en ciel de cet échangeur, une phase gazeuse dont la pression est comprise entre la pression d'alimentation et la pression du point triple, - refroidir l'échangeur par détente, dans une double enveloppe de cet échangeur, d'un fluide frigorigéne pour cristalliser, sur la paroi interne de l'échangeur, Le dioxyde de carbone liquide, - racler la paroi interne de l'échangeur pour décoller le dioxyde de carbone cristallisé et produire une bouillie de glace, - expulser, périodiquement, cette bouillie en direction d'une enceinte de stockage et/ou refroidissement au moyen de la phase gazeuse. L'invention a, également, pour objet une installation de production de glace carbonique broyée à partir de dioxyde de carbone liquide caractérisée en ce qu'elle comprend - un échangeur comportant une tubulure d'entrée équipée d'une vanne et destinée à être raccordée à un réservoir de dioxyde de carbone tiquide, une tubulure d'expulsion équipée d'une vanne, - un mobile de racLage de sa paroi interne, - une double enveloppe entourant, au moins localement, l'échangeur et délimitant une chambre de détente pour un fluide frigorigène, - et une enceinte de stockage et/ou refroidissement raccordée à la tubulure d'expulsion. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de L'objet de L'invention. La fig. 1 est une coupe-élévation schématique d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. La fig. 2 est une coupe transversale prise sensiblement selon la ligne II-II de la fig. 1. La fig. 3 est une coupe-élévation illustrant une variante de réalisation de l'installation selon l'invention. Le procédé de production de glace carbonique broyée à partir de dioxyde de carbone Liquide est avantageusement mis en oeuvre à partir d'une installation dont un exemple de réalisation est illustré par les fig. 1 et 2. Une telle instalLation comprend un échangeur 1, de préférence de révolution, dont L'axe x-x' est orienté verticalement. L'échangeur 1 est réalisé en un matériau très bon conducteur thermiquement, tel qu'en acier, en aluminium ou en cuivre. L'échangeur 1 déLimite, intérieurement, un volume utile 2, de forme générale cylindrique, dont la partie basse est prolongée par une tubulure de sortie 3 contrôlée par une vanne 4 à commande, de préférence, automatique.La tubulure 3 débouche en aval de la vanne 4 dans une enceinte 5 de stockage etlou de refroidissement possédant, intérieurement, de préférence, un écran de fragmentation 6 s'étendant à distance et en regard de L'orifice de la tubulure de sortie 3. L'échangeur 1 comporte, légèrement en retrait de sa partie haute, une tubulure 7, dite d'entrée, contrôlée par une vanne 8, de préférence aussi à commande automatique. La tubulure d'entrée 7 est raccordée à une canalisation de circulation 9 issue d'un réservoir 10 de stockage de dioxyde de carbone liquide. Les conditions de stockage typique du dioxyde de carbone liquide font intervenir une pression comprise entre 17 et 25 bar absolu et une température à l'équilibre comprise entre 249 et 2610 K. La tubulure d'entrée 7 est située à un niveau inférieur à une tubulure Il apte à assurer l'injection d'une phase gazeuse de dioxyde de carbone issu ou prélevé du réservoir 10 et détendu par l'intermédiaire d'un détendeur 12. L'échangeur 1 est réalisé de manière à comporter une enveloppe 13, dite interne, et une double enveloppe 14, dite externe. Les enveloppes 13 et 14 délimitent, ensemble, une chambre annulaire 15 apte à assurer la détente d'un fluide frigorigène auxiliaire, par exemple constitué par du monobromotrifluorométhane (C Br F3) connu dans Le commerce sous la référence R 13 B1. De préférence, le fluide frigorigène est entretenu pour faire l'objet d'une évaporation à une température inférieure à 2160 K à L'intérieur de la chambre 15 et, par exemple, 2130 K. De préférence encore, le fluide frigorigène est entretenu en circulation dans la chambre annulaire 15 par- L'intermédiaire d'un circuit 16 faisant partie d'une machine frigorifique 17, un tel circuit étant raccordé à une tubulure d'entrée 18, ainsi qu a une tubulure de sortie 19 débouchant dans la chambre 15. La tubulure d'entrée 18 est, de préférence, précédée par un détendeur 20 dont le réglage est piloté par l'intermédiaire d'un capteur 21 thermosensible appréciant la température de la phase gazeuse issue de la tubulure de sortie 19. L'échangeur 1 comporte, intérieurement, un mobile 22 de raclage de la surface périphérique intérieure de la paroi 13. Le mobile de raclage 22 peut être réalisé de différentes façons convenables et, en particulier, comprendre un arbre 23 s'étendant sur L'axe x-x' et porté par des paliers 23a. L'arbre 23 est mû en rotation par L'intermédiaire d'un organe moteur 24 du type électrique, extérieur.a L'échangeur 1. L'arbre 23 porte, par l'intermédiaire de bras radiaux 25, des lames racleuses 26, par exemple rectilignes et parallèles à l'axe x-x' et destinées à frotter sur la face intérieure de la paroi 13. L'installation décrite ci-dessus est destinée à permettre la mise en oeuvre du procédé de l'invention consistant à entretenir, dans la chambre annulaire de refroidissement 15, la détente du fluide frigorigène auxiliaire à une température inférieure à 2160 K par l'intermédiaire de la machine frigorifique 17. Lorsque la température de refroidissement convenable est atteinte, la vanne 4 est fermée, alors'que la vanne 8 est ouverte, de manière à admettre, dans le volume 2, du dioxyde de carbone liquide prélevé à partir du réservoir 10 à une.pression, par exemple de L'ordre de 20,9 bar absolu, et à une température voisine de 2550 K. L'admission de dioxyde de carbone liquide est effectuée de manière à maintenir, toujours, en ciel du volume 2, une phase gazeuse entretenue à une pression comprise entre La pression d'alimentation par la tubulure d'entrée 7 et La pression correspondant au point triple du dioxyde de carbone. L'admission de dioxyde dans le volume 2 produit, en raison du refroidissement de la paroi 13, une cristallisation du dioxyde sur La face interne de cette dernière. L'entraînement en rotation, dans le sens de ta flèche f1 de l'arbre 23 par le moteur 24, permet aux lames racleuses 26 de décoller le dioxyde de carbone cristallisé sur la paroi 13. Au fur et à mesure de la rotation du mobile 22, les lames 26 fournissent une production de glace broyee s'accumulant à la partie basse de l'échangeur 1. Lorsqu'une masse suffisante de glace broyée a été produite, la vanne 8 est fermée, alors que, simultanément, la vanne 4 est ouverte.La phase gazeuse sous pression, occupant le ciel du volume 2, assume alors, en complément avec l'admission d'une phase gazeuse d'appoint par la tubulure 11, l'expulsion de La masse ou de la bouillie de glace broyée, par L'intermédiaire de la tubulure de sortie 3 en direction de L'enceinte 5. La pression régnant en ciel du volume 2 permet de produire une expulsion énergique de la masse de glace broyée qui est projette contre l'écran 6 destiné à en assurer, d'une part, la fragmentation et, d'autre part, une répartition sensiblement homogène à l'intérieur de l'enceinte 5. Il doit être considéré que l'enceinte 5 peut constituer, soit un réservoir de stockage, soit encore un volume de refroidissement dans lequel ou sur lequel Les produits à refroidir sont disposés. A titre indicatif, il est possible de réaliser un échangeur 1, de manière à lui faire comporter une surface raclée de 8 dm2 pour un volume interne de 1,5 dm3. Dans un tel cas, le mobile de raclage peut comporter deux barres racleuses supportés par un arbre 23 entrainé en rotation à 15 T/min par un moteur 23 de 1 kw de puissance. Avec des conditions d'admission du dioxyde de carbone liquide, telles que rappelées ci-dessus, et une fréquence de phase d'expulsion toutes les quatre minutes, il est possible de produire 11 kg/h de glace carbonique broyée. Dans un tel cas, la puissance consommée par La machine frigorifique 17-pour entretenir l'évaporation du fluide frigorigéne auxiliaire est voisine de 0,1 kWh/kg de glace carbonique broyée produite. De telles conditions permettent de considérer que de la glace carbonique broyée, produite par le procédé et une installation pour sa mise en oeuvre selon l'invention, peut être obtenue à un prix de revient particulièrement intéressant. L'examen des moyens techniques mis en oeuvre a permis aussi de considérer que l'installation de production de glace carbonique broyée fait intervenir des facteurs techniques simples relativement peu onéreux, fiables et n'exigeant que peu sinon pàs de réglage de mise en service ou d'entretien. Il convient de considérer que la tubulure 11 permet d'assurer en ciel du volume 2 l'introduction d'une phase gazeuse de dioxyde de carbone assumant un appoint pour L'expulsion, mais aussi l'introduction d'une phase gazeuse de balayage durant la meme phase pour éviter, à l'intérieur du volume 2, toute entrée d'humidité préjudiciable au déroulement de la phase de cristallisation ultérieure. La fig. 3 montre une variante de réalisation selon laquelle L'échangeur 1 contient, intérieurement, un mobile d'agitation 22 réalisé sous la forme d'une vis d'Archimède 30 supportée par des paliers 30a et dont l'axe de rotation coïncide avec l'axe géométrique x-x' du volume 2. Dans un tel exemple, l'échangeur 1 est toujours du type à double paroi pour délimiter la chambre annulaire 15 dont les tubulures d'entrée 18 et de sortie 19 sont raccordées à une machine frigorifique 17. Dans cet exemple de réalisation, L'échangeur 1 possède une tubulure d'admission 7 en relation avec le circuit 9 et qui se trouve implantée à la partie basse- du volume 2. La partie haute de ce volume est prolongée par une tubulure de sortie 31 pourvue d'une vanne de contrôle 32. Au-delå de la vanne 32, la tubulure 31 est raccordée à une capacite intermédiaire 33 de stockage temporaire s'étendant parallèlement à l'axe x-x'. La partie basse de la capacité 33 est pourvue de la tubulure de sortie 3 contrôlée par la vanne 4 et débouchant dans l'enceinte 5 de stockage et/ou de refroidissement, laquelle est munie intérieurement de l'écran de fragmentation 6. Les vannes 32 et 4 sont commandées simultanément pour occuper des états opposés, c'est-à-dire, pour l'une passer d'un état ouvert à l'état fermé, alors que l'autre passe simultanément de l'état fermé à l'état ouvert. La vis d'Archimède 30 est que en rotation par l'intermédiaire d'un organe moteur 34 chargé de l'entraîner dans un sens tel que, en fonction de l'enroulement hélicoïdal qui la caractérise, le dioxyde de carbone cristallisé sur la paroi périphérique. interne 13 soit gratté et sollicité en un mouvement vertical ascendant, de manière à emprunter naturellement la tubulure 31 pour traverser la vanne ouverte et etre déversé dans la capacité 33 dont La vanne 4 est fermée. Comme dans l'exemple précédent, la partie supérieure du volume 2 maintient un ciel de phase gazeuse sous pression, de même que dans la partie supérieure de La capacité 33. Ainsi, périodiquement, il devient possible de fermer la vanne d'admission 81 équipant la tubulure d'entrée 71 de fermer la vanne 32 et d'ouvrir la vanne 4, de manière que la phase gazeuse sous pression, occupant la partie haute de la capacité 33, expulse, en direction de l'enceinte 5, la masse de glace carbonique broyée entreposée, momentanément, dans La cavité 33. Après expulsion, la vanne 4 est fermée, alors que, simultanément, les vannes 32 et 81 sont ouvertes. A titre d'exemple, un échangeur 1, du type ci-dessus, réalisé pour posséder une surface raclée de 4 dm2 et dont la vis est entrainée par un moteur de 0,75 kw tourne une vitesse comprise entre 10 et 50 T/min et, par exemple, à 20 T/min, produit 5 kg/h de glace carbonique. Les conditions de stockage et d'admission du fluide frigorigène auxiliaire sont les mêmes que celles décrites précédemment, de même que celles d'admission du dioxyde de carbone liquide. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Procédé de production de glace carbonique broyée à partir de dioxyde de carbone liquide, caractérisé en ce qu'il consiste à : - introduire, sous pression, dans un échangeur du dioxyde de carbone liquide en maintenant, en ciel de cet échangeur, une phase gazeuse dont la pression est comprise entre la pression d'alimentation et la pression du point triple, - refroidir l'échangeur, par détente, dans une double enveloppe de cet échangeur, d'un fluide frigorigène pour cristalliser, sur la paroi interne de l'échangeur, le dioxyde de carbone liquide, - racler la paroi interne de lréchangeur pour décoller le dioxyde de carbone cristallisé et produire une bouillie de glace, - expulser, périodiquement, cette bouiLlie en direction d'une enceinte de stockage et/ou refroidissement au moyen de La phase gazeuse. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on introduit, dans l'échangeur, du dioxyde de carbone liquide à une pression voisine de 20,9 bar absolu et à une température proche de 2550 K et en ce qu'on refroidit l'échangeur avec un fluide frigorigène entretenu en évaporation à une température inférieure à 2160 K. 3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le fluide frigorigène est du monobromotrífluorométhane entretenu en circulation par une machine frigorifique. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on produit L'expuLsion de la bouillie de glace avec injection d'une phase gazeuse d'appoint de dioxyde de carbone. 5 - Procédé selon la revendication 1 ou 4, caractérisé en ce qu'on produit l'expulsion de la bouillie de glace directement de l'échangeur de production en direction de L'enceinte. 6 - Procédé selon la revendication 1 ou 4, caractérisé en ce qu'on produit L'expulsion de la bouillie de glace à partir d'une capacité intermédiaire de transfert interposée entre l'échangeur et l'enceinte. 7 - Installation de production de glace carbonique broyée à partir de dioxyde de carbone liquide, caractérisée en ce qu'elle comprend - un échangeur (1) comportant une tubulure d'entrée (7) équipée d'une vanne (8) et destinée à être raccordée à un réservoir (10) de dioxyde de carbone liquide, une tubulure d'expulsion (3) équipée d'une vanne (4), un mobile (22) de raclage de sa paroi interne, - une double enveloppe (13, 14) entourant, au moins localemefit, l'échangeur et délimitant une chambre de détente (15) pour un fluide frigorigène, - et une enceinte (5) de stockage et/ou refroidissement raccordée à la tubulure d'expulsion. 8 - Installation selon La revendication 7, caractérisée en ce que l'échangeur est constitue par un corps de révolution et contient un mobile de raclage (22) tournant. 9 - Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que le mobile tournant (22) est constitué par un arbre tournant (23) s'étendant sur l'axe de révolution du corps et portant des lames de raclage (26). 10 - Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que le mobile tournant est constitué par une vis d'Archimède (30). 11 - Installation selon L'une des revendications 7 à 10, caractérisée en ce que la tubulure d'expulsion (3) est située en partie basse, la tubulure d'entrée (7) est située à proximité de la partie haute et en dessous de l'ouverture d'une tubulure (11) d'injection d'une phase gazeuse sous pression d'appoint de dioxyde de carbone. 12 - Installation selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisée en ce que la tubulure d'entrée (71) est située en partie basse de l'échangeur dont la partie haute est munie d'une tubulure de sortie (31) équipée d'une vanne (32) et raccordée à la partie haute d'une capacité intermédiaire (33) de transfert pourvue, en partie basse, de la tubulure (3) d'expulsion en direction de L'enceinte (5). 13 - Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que la double enveloppe (13, 14) est raccordée à un circuit (16) de circulation d'un fluide frigorigène, entretenue par une machine thermique (17). 14 - Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que L'enceinte (5) comporte, intérieurement, un écran de fragmentation (6) en regard de la tubulure d'expulsion.