Brevet FR2805603A1 — publié le 20010831

L'invention concerne la structure des installations industrielles soumises à des gradients thermiques importants, et notamment d'installations cryogéniques, par exemple les installations dites de séparation ou distillation d'air par voie cryogénique. Dans de telles installations, les éléments constitutifs voient leurs dimensions varier et se déplacent notablement les uns par rapport aux autres en fonction des changements de température survenant notamment lors de la mise en fonctionnement de l'installation et lors de l'interruption du fonctionnement de celle-ci; les équipements d'une telle installation devant être reliés entre eux parfois de manière rigide, par exemple par des systèmes de canalisations, on fait généralement en sorte que ces installations aient une structure homogène et soumise à des gradients thermiques homogènes. Cependant, il n'est pas toujours possible d'obtenir une telle homogénéité, et alors il en résulte des contraintes mécaniques importantes sur les éléments de liaison, pouvant provoquer des criques ou même des ruptures dans les systèmes de canalisations. En outre, les variations des emplacements respectifs des équipements peuvent perturber le fonctionnement de l'installation. Cela est le cas notamment pour les installations comportant un vaporiseur de colonne installé extérieurement à la colonne à côté de celle-ci et supporté indépendamment. Cela est également le cas lorsque deux enceintes disposées l'une au-dessus de l'autre en étant solidarisées et entretoisées par une virole de supportage et reliées par un système de canalisations se mettent en froid plus rapidement que la virole de supportage. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cette fin une structure d'installation, notamment d'installation cryogénique, comportant au moins deux équipements portés chacun par un dispositif support d'assise, ou l'un étant solidarisé à l'autre par un dispositif support d'entretoisement, et en outre reliés par au moins un dispositif de liaison fixé à deux emplacements respectifs des deux équipements, caractérisée en ce qu'au moins deux de ses éléments constitutifs parmi les dispositifs supports et le dispositif de liaison comportent sur au moins une partie de leur longueur des matériaux différents possédant parmi le coefficient de dilatation et le coefficient de conductibilité thermique, au moins un coefficient dont les valeurs respectives sont différentes, de manière que lorsque l'installation passe de l'inactivité à température ambiante à un fonctionnement en régime permanent avec lesdits équipements à une température très différente de la température ambiante, et inversement, les variations de longueur desdits éléments constitutifs comportant sur au moins une partie de leur longueur des matériaux différents s'accompagnent de manière à éviter sensiblement les contraintes mécaniques sur le dispositif de liaison, résultant d'un déplacement relatif des emplacements de fixation du dispositif de liaison aux deux équipements. Les contraintes mécaniques dues aux variations de température étant sensiblement évitées, les risques de rupture, notamment de canalisations, sont notablement réduits et la fiabilité de l'installation est améliorée. L'invention peut en outre présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - les deux équipements sont portés individuellement par des dispositifs supports d'assise comportant respectivement sur au moins une partie de leur longueur des matériaux dont le coefficient de dilatation a des valeurs respectives différentes; - le dispositif de liaison comprend au moins une canalisation reliant les deux équipements; - les équipements sont respectivement une double colonne de distillation d'air et un vaporiseur-condenseur; - la structure comporte un dispositif support d'assise comprenant au moins une partie en aluminium ou un alliage d'aluminium, et un autre dispositif support d'assise en acier inoxydable; - la structure comporte, pour un premier équipement, un dispositif support d'assise constitué par une ossature autoporteuse de ce premier équipement et, pour un deuxième équipement, un dispositif support d'assise comportant une partie en un matériau différent de celui constituant l'ossature autoporteuse; - le dispositif support d'assise comporte une partie en un matériau différent de celui constituant l'ossature autoporteuse, qui est la partie supérieure du dispositif support d'assise et qui porte le deuxième équipement; - la structure comporte un troisième équipement passant également, lorsque l'installation passe de l'inactivité à un fonctionnement en régime permanent, à une température très différente de la température ambiante, et ce troisième équipement est porté par le dispositif support d'assise portant le deuxième équipement; - le dispositif support d'assise comporte une partie en un matériau différent de celui constituant l'ossature autoporteuse, qui est la partie inférieure du dispositif support d'assise et qui porte le troisième équipement; - la structure comporte un troisième équipement passant également, lorsque l'installation passe de l'inactivité à un fonctionnement en régime permanent, à une température très différente de la température ambiante, et ce troisième équipement est intégré dans le support; - les équipements sont solidarisés l'un à l'autre par un support d'entretoisement et reliés par au moins un dispositif de liaison comprenant au moins une canalisation; - le support d'entretoisement et le dispositif de liaison comportent respectivement des matériaux dont au moins le coefficient de conductibilité thermique a des valeurs respectives différentes; - les équipements sont respectivement une colonne moyenne- pression et une colonne basse-pression formant une double colonne de distillation d'air; - I'un des équipements renferme un vaporiseurcondenseur; - le dispositif de liaison comprend au moins une canalisation qui est au moins partiellement en acier inoxydable, et le support d'entretoisement comporte une virole qui est au moins partiellement en cuivre ou en alliage de cuivre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, de formes de réalisation de l'invention décrites à titre d'exemples non limitatifs et illustrées par les dessins joints dans lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe d'une première structure selon l'invention lorsque l'installation est inactive et à température ambiante, - la figure 2 est un schéma de principe de cette première structure lorsque l'installation est en fonctionnement avec ses équipements à très basse température, - la figure 3 est un schéma de principe d'une variante de la structure de la figure 1 lorsque l'installation est inactive et à température ambiante, - la figure 4 est un schéma de principe de la structure de la figure 3 lorsque l'installation est en fonctionnement avec ses équipements à très basse température, - la figure 5 est un schéma de principe d'une deuxième structure selon l'invention lorsque l'installation est inactive et à température ambiante, et - la figure 6 est un schéma de principe de cette deuxième structure lorsque l'installation est en fonctionnement avec ses équipements à très basse température. L'installation illustrée par les figures 1 et 2 comporte deux équipements 1, 2 pouvant être par exemple, si l'installation est une installation de distillation d'air, respectivement une double colonne de distillation d'air et un vaporiseur-condenseur supportés individuellement. La double colonne de distillation d'air a une coque ou ossature autoporteuse 3 reposant sur le sol et formant dispositif support d'assise pour la double colonne, ou en variante pourrait être portée par un dispositif support d'assise rapporté tel qu'une jupe; généralement, I'ossature de la double colonne ou la jupe est en acier inoxydable austénitique; le vaporiseur-condenseur est également disposé sur un support d'assise 4. Les deux équipements 1, 2 sont reliés par un ou plusieurs dispositifs de liaison 5 fixés en deux emplacements ou régions respectives de ces deux équipements; ces dispositifs de liaison sont ici, se succédant de haut en bas, des canalisations pour transférer respectivement de l'oxygène gazeux (OG) du vaporiseur-condenseur à la double colonne, de l'oxygène liquide (OL) et de l'azote gazeux (NG) de la double colonne au vaporiseur- condenseur, et de l'azote liquide (NL) du vaporiseur-condenseur à la double colonne. Lorsqu'une telle installation n'est pas en fonctionnement, tous ses éléments constitutifs, comprenant les équipements 1, 2, les dispositifs supports intégrés 3 ou séparés 4 et les dispositifs de liaison 5 sont approximativement à la température ambiante, et ainsi les emplacements ou régions respectifs des deux équipements o sont fixés les dispositifs de liaison sont à une distance prédéterminée par construction l'un de l'autre pour laquelle sont dimensionnés les dispositifs de liaison. Lorsque l'installation est mise en fonctionnement, la température de ses équipements 1, 2 et plus généralement de ses éléments actifs varie, ce qui entraîne une variation de température asynchrone des autres éléments en fonction des matériaux dont ils sont constitués, de la distance qui les sépare des éléments actifs, et de la température de l'élément actif le plus proche; cette variation, qui affecte notamment les dispositifs supports 3, 4 et les dispositifs de liaison 5, se poursuit jusqu'à ce que, I'installation ayant atteint un régime de fonctionnement permanent stable, les températures se stabilisent approximativement; il en résulte des modifications dimensionnelles notables de la plupart des éléments constitutifs de l'installation, et sauf précautions particulières telles que celles qui vont être décrites, la distance entre les emplacements ou régions respectifs des deux équipements o sont fixés les dispositifs de liaison 5 est elle-même modifiée notablement, ce qui entraîne des risque d'endommagement de ces dispositifs de liaison. Ainsi, dans le cas de l'exemple décrit, la double colonne descend à une température très basse (environ -180 C), et ainsi son ossature porteuse 3, de relativement grande hauteur, et éventuellement sa jupe, se contractent de manière telle que le niveau de ses régions de fixation des dispositifs de liaison 5 diminue de manière sensible. La diminution de température du vaporiseur-condenseur est sensiblement la même. En revanche, ce vaporiseur-condenseur s'étend sur une hauteur relativement faible et est porté par une charpente formant support 4 de relativement grande hauteur, par exemple une vingtaine de mètres; si ce support 4 est en acier inoxydable qui en outre a une plus faible conductibilité thermique, la diminution du niveau des régions de fixation du vaporiseur-condenseur pour les canalisations est moins importante que celle de la région correspondante de la double colonne, et la distance entre les deux régions de fixation est augmentée. C'est pourquoi, selon l'invention, le vaporiseur-condenseur est disposé sur un support d'assise 4 au moins partiellement en un matériau présentant des caractéristiques différentes de celles du matériau constituant l'ossature 3 formant dispositif support d'assise pour la double colonne, et ici plus précisément en un matériau présentant un coefficient de dilatation plus élevé. Il en résulte que la plus faible diminution de température du support 4 par rapport à l'ossature de la double colonne est compensée par le coefficient de dilatation plus élevé d'au moins une partie 41 de la hauteur du support 4 du vaporiseur-condenseur, de préférence ici la partie supérieure de celui-ci, une autre partie 42, ici la partie inférieure, pouvant être du même matériau que l'ossature de la double colonne. Typiquement, les viroles extérieures de la double colonne constituant l'ossature autoporteuse de celle-ci, et éventuellement sa jupe de base, sont en acier inoxydable, dont le coefficient de dilatation est de 13,3. 10-6m/m. K, et il en est de même de la partie 42 du support 4 du vaporiseur-condenseur, tandis que la partie 41 du support 4 sur laquelle repose le vaporiseur- condenseur est en aluminium, dont le coefficient de dilatation est de 19. 10'6m/m. K, ou en alliage d'aluminium; le fait que ce soit ici la partie supérieure du support 4 portant le vaporiseur-condenseur, qui est en aluminium, matériau qui possède une bonne conductibilité thermique, permet un bon transfert thermique jusqu'à la partie inférieure en acier inoxydable. De manière plus générale, - si la double colonne a une ossature par exemple en acier austénitique (coefficient de dilatation ass = 13,3.10-6m/m. K, conductibilité thermique;ss = 10 W/m. K), et les emplacements de fixation pour les dispositifs de liaison 5 sont à une hauteur L1 variant d'une valeur dL1 pour une variation de température DT1 de la double colonne, - si le support 4 a une hauteur totale L2 variant d'une valeur dL2, et sa partie inférieure 41 d'une hauteur Lss est par exemple en acier austénitique et subit une variation de température DTss tandis que sa partie supérieure 42 d'une hauteur Lai est par exemple en aluminium (coefficient de dilatation aal = 19.106m/m.oK, conductibilité thermique lai = 160 W/m.OK) et subit une variation de température DTal, on a dL1 = dL2 si L1.ass.DT1 = Lss. css.DTss + Lal. cal.DTal. Ainsi, pour une variation donnée de dL1, il est possible de faire en sorte, en jouant sur les hauteurs des parties 41, 42 du support 4 et sur les coefficients de dilatation, que les niveaux des régions de fixation des canalisations restent substantiellement dans la même position relative. Si par exemple: 1 5 L1 = L2 = 20 mètres, Lss = 8 mètres, Lal = 12 mètres, température finale de la colonne = température finale du vaporiseur- condenseur = 90 K, température ambiante = 293 K, température au sol retenue = 283 K, on a dL1 = 20.13,3.10-6 (293-90) = 0,0540 m = 54,0 mm; par ailleurs, on peut calculer la température finale à l'interface acier inoxydable/aluminium (T interface) du support 4, en écrivant l'égalité des flux thermiques du support 4 (les sections étant identiques): Xss (Tinerace Lss (T au sol - T interface) = La / (T interface - T vaporiseurcondenseur), d'o l'on déduit T interface = 107 K; il en résulte que la température finale moyenne de la partie en acier est 195 K et la température finale moyenne de la partie en aluminium est 98 K. On a donc dL2 = 8.13,3.106(293-195) + 12.19.10-6 (293-98), dL2 = 0,0104 m + 0,0444 m, dL2 = 0,0548 m = 54,8 mm. Ainsi la différence entre les variations de hauteur est rendue négligeable. La variante illustrée par les figures 3 et 4 correspond à une installation comportant un troisième équipement 2' dont la température varie, lors de la mise en fonctionnement, dans le même sens que celle des deux premiers, et se stabilise approximativement, à une température notablement différente de la température ambiante. On peut alors mettre à profit cette variation de- température supplémentaire pour réaliser ou parfaire l'égalisation des niveaux des deux premiers équipements 1, 2. Dans le cas de l'installation de distillation d'air évoquée plus haut, le troisième équipement 2' est la ligne d'échange thermique, dont la température de fonctionnement est également notablement inférieure à la température ambiante, la partie la plus froide de celle-ci étant à environ -180 C. Cette ligne d'échange, de façon classique, sert à refroidir jusqu'au voisinage de son point de rosée l'air à distiller, préalablement comprimé vers 5 à 6 bars absolus et épuré en eau et en C02. L'air s'y refroidit par échange thermique indirect avec les flux gazeux froids issus de la double colonne. En variante, l'équipement 2' peut être un autre échangeur froid de l'installation. Sur les figures 3 et 4, les éléments correspondants à des éléments des figures 1 et 2 sont repérés par les mêmes références numériques; pour mieux mettre à profit la diminution de température de la ligne d'échange 2', la partie froide (inférieure) de celle-ci est accolée contre une plate-forme 43 du support 4 créée dans la partie 41 de celuici qui est en matériau différent de celui de l'ossature de la double colonne, cette partie étant alors la partie inférieure du support 4; ainsi, le vaporiseur-condenseur repose de préférence sur la partie 42 du support 4 qui est faite du même matériau que l'ossature de la double colonne de distillation, ici de l'acier inoxydable. Il est également possible que l'équipement 2' soit intégré dans le support 4, de manière que sa diminution de température soit communiquée dans pratiquement toutes les directions au support 4. L'installation dont une partie est illustrée par les figures 5 et 6 comporte deux équipements 1, 2 représentés seulement partiellement, I'un étant solidarisé à l'autre par un dispositif support d'entretoisement 6. Les deux équipements 1, 2 comportent des enceintes respectives constituées par des viroles 10, 20 alignées coaxialement, et le support d'entretoisement 6 qui les solidarise est également une virole ou jupe alignée coaxialement avec les précédentes. s Les deux équipements 1, 2 sont reliés par les dispositifs de liaison 5 fixés en des emplacements respectifs de ces deux équipements qui sont intérieurs au volume délimité par la virole qui constitue le dispositif d'entretoisement 6. Dans l'exemple représenté, I'installation est une double colonne de distillation d'air; l'équipement supérieur 2 est alors une colonne basse- pression qui renferme un vaporiseur-condenseur 21 d'o partent, en tant que dispositifs de liaison 5, deux canalisations de liaison à l'équipement inférieur 1, qui est une colonne moyenne-pression, dans lequel plongent ces canalisations 5. Les deux canalisations ont pour fonction de transférer de lI'azote gazeux (NG) de la colonne moyenne-pression à la colonne basse- pression, et de l'azote liquide (NL) de la colonne basse-pression à la colonne moyenne-pression; elles sont généralement en acier inoxydable. Là encore, lorsque l'installation n'est pas en fonctionnement, tous ses éléments constitutifs, comprenant les équipements 1, 2, le dispositifsupport 6 et les dispositifs de liaison 5 sont approximativement à la température ambiante, et les emplacements ou régions respectifs des deux équipements o sont fixés les dispositifs de liaison, plus précisément à la base de la virole 20 de la colonne basse-pression et au sommet de la virole 10 de la colonne moyenne pression, sont à une distance prédéterminée par construction l'un de l'autre pour laquelle est dimensionné le dispositif de liaison. Lorsque l'installation est mise en fonctionnement, la température des équipements 1, 2 varie, et notamment ici la partie inférieure de la colonne basse-pression s'emplit progressivement de liquide à très basse température provenant de la colonne moyenne-pression (air de plus en plus riche, puis oxygène pur lorsque l'installation atteint son régime de fonctionnement stable); ainsi, cette partie basse descend rapidement en température, de même que la partie haute de la colonne 1, emplie de gaz (air de plus en plus pauvre, puis azote pur) à la même température; sauf précautions particulières, les trajets thermiques entre les emplacements respectifs des fixations des dispositifs de liaison aux équipements ne descendent pas en température simultanément; en effet, un premier trajet, constitué par la partie des canalisations 5 qui s'étend entre les emplacements de fixation est en contact avec les deux sources de froid intense; en revanche, dans le deuxième trajet, la virole support d'entretoisement 6 n'est en contact avec la colonne basse-pression et la colonne moyennepression que sur une faible surface, dans ses deux régions d'extrémités. Selon l'invention, pour compenser cette disparité, on utilise pour constituer la virole support d'entretoisement 6, un matériau ayant une meilleure conductibilité thermique que celui constituant les dispositifs de liaison 5. De manière conventionnelle, les canalisations constituant les dispositifs de liaison 5 sont sur au moins une partie de leur longueur et en général en totalité en acier inoxydable, qui a une conductibilité thermique relativement médiocre (environ 10 W/m. K); on choisit alors de constituer au moins une partie de la longueur de la virole 6 ou la totalité de celle-ci en cuivre, qui a une conductibilité thermique très supérieure (environ 400 W/m. K; à titre indicatif, celle de l'aluminium est d'environ 160 W/m. K) ou encore en alliage de cuivre; il en résulte qu'au début de la descente en température de l'installation, la virole 6 descend globalement plus rapidement en température que selon la technique antérieure; en revanche, comme le coefficient de dilatation de l'acier inoxydable est à peine plus faible que celui du cuivre (respectivement 13,3.10-6m/m. K et 14.10'6m/m. K), les dimensions correspondantes finales en régime permanent sont approximativement égales. Ainsi, dans un exemple comme dans l'autre, les variations de longueur des dispositifs comportant sur au moins une partie de leur longueur des matériaux différents (l'ossature autoporteuse constituant le dispositif support d'assise 3 de la double colonne d'une part et le support d'assise 4 du vaporiseur-condenseur d'autre part dans le premier exemple et sa variante; les dispositifs de liaison 5 d'une part et le support l1 d'entretoisement 6 d'autre part dans le deuxième exemple) s'accompagnent en synchronisme de manière à éviter sensiblement les contraintes mécaniques sur les dispositifs de liaison, résultant d'un déplacement relatif des deux équipements. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation cidessus décrites et représentées, et on pourra en prévoir d'autres sans sortir de son cadre, notamment des installations travaillant au démarrage en dilatation et non en contraction comme les installations cryogéniques, des installations faisant appel à d'autres combinaisons de matériaux que l'acier inoxydable austénitique, I'aluminium et le cuivre, ou/et des installations o l'on joue de manière notable à la fois sur les deux coefficients caractéristiques du comportement thermique que sont le coefficient de dilatation et le coefficient de conductibilité thermique. REVENDICATIONS 1. Structure d'installation, notamment d'installation cryogénique, comportant au moins deux équipements (1, 2) portés chacun par un dispositif support d'assise (3, 4), ou l'un étant solidarisé à l'autre par un dispositif support d'entretoisement (6), et en outre reliés par au moins un dispositif de liaison (5) fixé à deux emplacements respectifs des deux équipements, caractérisée en ce qu'au moins deux de ses éléments constitutifs parmi les dispositifs supports (3, 4; 6) et le dispositif de liaison (5) comportent sur au moins une partie de leur longueur des matériaux différents possédant parmi le coefficient de dilatation et le coefficient de conductibilité thermique, au moins un coefficient dont les valeurs respectives sont différentes, de manière que lorsque l'installation passe de l'inactivité à température ambiante à un fonctionnement en régime permanent avec lesdits équipements à une température très différente de la température ambiante, et inversement, les variations de longueur desdits éléments constitutifs (3, 4; 6, 5) comportant sur au moins une partie de leur longueur des matériaux différents s'accompagnent de manière à éviter sensiblement les contraintes mécaniques sur le dispositif de liaison (5), résultant d'un déplacement relatif des emplacements de fixation du dispositif de liaison aux deux équipements (1, 2). 2. Structure d'installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux équipements (1, 2) sont portés individuellement par des dispositifs supports d'assise (3, 4) comportant respectivement sur au moins une partie de leur longueur des matériaux dont le coefficient de dilatation a des valeurs respectives différentes. 3. Structure d'installation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le dispositif de liaison (5) comprend au moins une canalisation reliant les deux équipements (1, 2). 4. Structure d'installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les équipements (1, 2) sont respectivement une double colonne de distillation d'air et un vaporiseur-condenseur. 5. Structure d'installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif support d'assise (4) comprenant au moins une partie (41) en aluminium ou un alliage d'aluminium, et un autre dispositif support d'assise (3) en acier inoxydable. 6. Structure d'installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte, pour un premier équipement (1), un dispositif support d'assise (3) constitué par une ossature autoporteuse de ce premier équipement et, pour un deuxième équipement (2), un dispositif support d'assise (4) comportant une partie (41) en un matériau différent de celui constituant l'ossature autoporteuse. 7. Structure d'installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que le dispositif support d'assise (4) comporte une partie (41) en un matériau différent de celui constituant l'ossature autoporteuse, qui est la partie supérieure du dispositif support d'assise et qui porte le deuxième équipement (2). 8. Structure d'installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un troisième équipement (2') passant également, lorsque l'installation passe de l'inactivité à un fonctionnement en régime permanent, à une température très différente de la température ambiante, et ce troisième équipement (2') est porté par le dispositif support d'assise (4) portant le deuxième équipement (2). 9. Structure d'installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que le dispositif support d'assise (4) comporte une partie (41) en un matériau différent de celui constituant l'ossature autoporteuse, qui est la partie inférieure du dispositif support d'assise et qui porte le troisième équipement (2'). 10. Structure d'installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'elle comporte un troisième équipement (2') passant également, lorsque l'installation passe de l'inactivité à un fonctionnement en régime permanent, à une température très différente de la température ambiante, et ce troisième équipement (2') est intégré dans le support (4). 11. Structure d'installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les équipements (1, 2) sont solidarisés l'un à l'autre par un support d'entretoisement (6) et reliés par au moins un dispositif de liaison (5) comprenant au moins une canalisation. 12. Structure d'installation selon la revendication 11, caractérisée en ce que le support d'entretoisement (6) et le dispositif de liaison (5) comportent respectivement des matériaux dont au moins le coefficient de conductibilité thermique a des valeurs respectives différentes. - 13. Structure d'installation selon la revendication 1 ou l'une quelconque des revendications 11 et 12, caractérisée en ce que les équipements (1, 2) sont respectivement une colonne moyenne-pression et une colonne basse-pression formant une double colonne de distillation d'air. 14. Structure d'installation selon la revendication 1 ou l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisée en ce que l'un des équipements (2) renferme un vaporiseur-condenseur (21). 15. Structure d'installation selon la revendication 1 ou l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisée en ce que le dispositif de liaison (5) comprend au moins une canalisation qui est au moins partiellement en acier inoxydable, et le support d'entretoisement (6) comporte une virole qui est au moins partiellement en cuivre ou en alliage de cuivre.