Brevet FR2902858A1 — publié le 20071228

L'invention a pour but d'optimiser l'isolation thermique des équipements en particulier les équipements cryogéniques par utilisation de plusieurs technologies d'isolants sur le(s) même(s) équipement(s) ou sur le même ensemble d'équipements. Pour les applications cryogéniques, la technologie d'isolation offrant aujourd'hui le meilleur compromis est souvent la boîte froide, tel que décrite dans Tieftemperaturtechnik, 1985, pages 490-495. La boîte froide est une structure (en général parallélépipédique) contenant les équipements à isoler remplie d'un isolant, en général sous forme de poudre (un des plus utilisés en cryogénie est la perlite). Cet isolant remplit en général tout l'espace entre les équipements et tout l'espace entre les équipements et la structure. Les fonctions principales de la structure sont : • de supporter l'isolant • de partiellement supporter les équipements. Les fonctions principales de l'isolant sont : • de limiter les pertes thermiques entre les équipements et l'extérieur • de limiter les échanges thermiques entre les équipements Dans le cas du design d'une boîte froide, la technologie d'isolation choisie est un compromis tenant compte de plusieurs contraintes: • la sécurité (compatibilité de l'isolant avec les produits à isoler,...) et l'environnement (toxicité de l'isolant, recyclage en fin de vie,...), • l'absence ou la présence modérée de givre qui peut accélérer l'usure des équipements et poser des problèmes de sécurité • l'accessibilité aux équipements, • le coût d'investissement, • la perte d'énergie déclinée en : o une perte thermique spécifiée avec l'extérieur o un échange thermique spécifié entre les différents équipements 3o de la boîte Un des avantages de la boîte froide est d'isoler globalement un ensemble d'équipements (dans le cadre de ce brevet, le terme équipement inclus tous les items à isoler, y compris les tuyauteries éventuelles) au lieu d'avoir à les isoler un par un, d'où un gain de temps et de main d'oeuvre important sur le coût d'investissement. Parmi les inconvénients, on note : • La nécessité de construire une structure extérieure pour supporter et contenir l'isolant. Cette structure est particulièrement volumineuse et coûteuse. Son coût est, dans une certaine mesure, proportionnel à son volume. Son volume est notamment fonction de : o la taille des équipements, o de l'encombrement nécessaire au montage des équipements, o de l'épaisseur d'isolant nécessaire • L'accessibilité aux équipements qui est restreinte en exploitation (en particulier dans le cas d'utilisation d'un isolant en poudre). En effet, pour accéder à un seul équipement il est souvent nécessaire de vidanger une très grande quantité d'isolant. L'invention a pour but d'optimiser l'isolation thermique des équipements en conservant le principe de la boîte et en combinant plusieurs technologies d'isolation. L'invention consiste donc en une boîte composée : • d'équipements à isoler thermiquement vis-à-vis de l'extérieur et vis-à-vis des autres équipements, • d'une structure qui contient les équipements et leurs isolants, dont la fonction est de supporter l'isolant et de partiellement supporter les équipements • d'un isolant principal, • d'isolants secondaires associés à cet isolant principal, Un isolant est considéré secondaire si son volume est inférieur à celui de l'isolant principal. Ces isolants secondaires permettent par une action locale de réduire les inconvénients du principe de la boîte tout en maintenant ses avantages et en respectant les contraintes de design. Ainsi l'utilisation locale d'un isolant secondaire de conductivité thermique plus faible que l'isolant principal permettra : • de réduire l'encombrement nécessaire au montage des équipements, • de diminuer l'épaisseur d'isolation et de réduire la taille de la structure à perte thermique constante, donc le coût d'investissement. Cet isolant secondaire doit permettre de respecter les contraintes générales de design de l'isolation. Ainsi l'utilisation locale d'un isolant secondaire plus facile à retirer permettra un accès plus facile et plus rapide à certains équipements par exemple ceux nécessitant une maintenance fréquente. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux Figures dont la Figure 1 représente l'art antérieur et les Figures 2 à 4 représentent schématiquement une installation selon l'invention vue en coupe d'en haut. Selon l'art antérieur, une installation appelée boîte froide contient les équipements fonctionnant aux températures les plus basses d'un appareil de séparation d'air, en particulier une ou plusieurs colonnes, des tuyauteries, un ou plusieurs échangeurs de chaleur, dont certains peuvent servir de sous- refroidisseurs, éventuellement au moins une turbine et éventuellement au moins une pompe. Dans la figure on voit une structure 1 cuboïde de section carrée contenant une colonne 2, par exemple une double colonne de séparation d'air ainsi que diverses tuyauteries 6A à 6J. La structure 1 peut alternativement être de section circulaire. La colonne et les tuyauteries sont entourées d'isolant 3, par exemple de la perlite. Selon l'invention, dans la Figure 2, au moins certains des équipements ayant une partie de la surface se trouvant à une distance inférieure à un seuil donné sont revêtus sur au moins cette partie de la surface d'un isolant secondaire 5 de conductivité thermique plus faible que l'isolant principal 3 qui remplit l'espace intérieur de la structure 1. En particulier, on note qu'une partie de la surface de la colonne 2 et une partie de la surfaces des tuyauteries 6A,6B et 6 E portent un revêtement isolant secondaire 5. Il est possible que des surfaces positionnées à une distance inférieure au seuil ne portent pas de revêtement pour des raisons de coût ou dans le cas où l'équipement aurait une masse thermique réduite ou ne sert qu'occasionnellement. L'équipement 6G est un tuyau vertical qui a premier coude pour passer à l'horizontal (et l'éloigner de la colonne) et un second pour continuer en vertical.Alternativement comme l'on voit à la Figure 3, le revêtement peut se trouver sur l'enveloppe intérieure de la structure 1 dans les parties de la surface de celle-ci situées à une distance inférieure à un seuil d'un équipement contenu dans la structure 1. Ainsi les surfaces de l'enveloppe 1 o intérieure en face des équipements 2, 6A, 6C, 6E et à une distance inférieure à un seuil de ceux-ci sont revêtues d'une plaque d'isolant secondaire 5 de conductivité thermique plus faible que l'isolant principal 3 qui remplit l'espace intérieur de la structure 1. Il est possible que des surfaces positionnées à une distance inférieure 15 au seuil ne portent pas de revêtement pour des raisons de coût ou dans le cas où l'équipement aurait une masse thermique réduite ou ne sert qu'occasionnellement. Dans la Figure 4, la structure 1 de l'installation est une boîte de structure extérieure carrée. A l'intérieur, il y a un équipement principal à isoler 20 2 qui est cylindrique à diamètre D. Cet équipement pourrait être une colonne, par exemple une colonne de distillation d'air ou un stockage, tel qu'un stockage de liquide cryogénique. La distance d'isolation minimale emin1 impose la taille de la structure 1. L'espace entre l'équipement et la structure est remplie par un isolant principal 3, par exemple la perlite. Les surfaces extérieures de la 25 structure 1 à une distance inférieure au seuil e(a) sont revêtus d'un isolant secondaire 5. Ainsi trois des surfaces sont partiellement couvertes par l'isolant 5 alors que la quatrième, plus éloignée, ne l'est pas. Il est évidemment possible de combiner les trois types d'isolation des Figures 2, 3 et 4 en plaçant des revêtements d'isolant secondaire 5 sur au 30 moins un équipement à isoler et/ou sur l'intérieur de la structure 1 et/ou sur l'extérieur. Il est de plus envisageable de positionner l'isolant secondaire 5 entre l'équipement à isoler et la structure, l'isolant étant entouré de l'isolant principal 3. La Figure 4 illustre la surface de la structure comme si celle-ci était plate. Or la structure est typiquement composée de plaques de tôles renforcées par des poteaux verticaux, des poutres horizontales et des contreventements posés en diagonale, ceux-ci pouvant se trouver à l'intérieur et/ou à l'extérieur de la structure. La Figure 5 illustre une installation comprenant une structure 1 ayant une enveloppe intérieure 11, avec une poutre horizontale 7 de section rectangulaire à l'extérieur de l'enveloppe 11 formant une saillie. L'isolant secondaire 5 peut être posé dans une plaque cylindrique sur la tuyauterie verticale 6 dont une partie de la surface se trouve à une distance inférieure à un seuil donné de la poutre 7. De la perlite 3 isole également l'espace entre l'équipement 6 et l'enveloppe intérieure 11. Dans la Figure 6, la poutre horizontale 7 est située à l'intérieur de la structure et est isolé par de la perlite 3 et une plaque d'isolant secondaire 5 entreposées entre la poutre 7 et l'équipement 6. Pour le cas de la Figure 7, une plaque d'isolant 5 est posée à l'intérieur de l'enveloppe 11 et la poutre horizontale 7 est située à l'extérieur de la structure. De la perlite 3 et une plaque d'isolant secondaire 5 sont entreposées entre la poutre 7 et l'équipement 6. Dans la Figure 8 la poutre 7 est située à l'intérieur de la structure et est isolée par de la perlite 3 (à rajouter sur la figure) entre la poutre 7 et l'équipement 6. Or la poutre est également revêtue d'isolant secondaire 5 sur la partie de sa surface située à une distance inférieure à un seuil donné de la surface de l'équipement 6. Le rajout d'un isolant secondaire 5 sur la paroi extérieure de la structure 1 permet de diminuer emin1 et donc la section de la structure 1. Soit L la longueur sur laquelle doit être rajouté l'isolant secondaire 5 en forme de plaque pour garder constantes les pertes thermiques de la boîte avec l'extérieur. L peut être estimé de la manière suivante : Soit emin1 la distance minimale entre l'équipement principal 2 et le point le plus proche de la structure 1 • Soit emin1 (isolant principal) la distance d'isolation minimale fixée par calcul entre l'équipement principal 2 et le point le plus proche de la structure 1 pour les contraintes spécifiées (pertes thermiques avec l'extérieur, ...) en cas d'utilisation de l'isolant principal. • Soit emin1 (isolant secondaire) la distance d'isolation minimale fixée par calcul entre l'équipement principal 2 et le point le plus proche de la structure 1 pour les contraintes spécifiées (pertes thermiques avec l'extérieur, ...) en cas d'utilisation de l'isolant secondaire. • Soit D le diamètre de l'équipement 2 • Soit a l'angle décrit dans la Figure 4 et e (a) la distance entre l'équipement principale 2 et la structure 1 pour un angle a donné • Si emin1 = emin1 (isolant secondaire) lorsque e(a) = emin 1 (isolant principal) alors L = Dsin (a). Le tableau ci-dessous donne la réduction de volume obtenue pour la boîte en cas d'utilisation d'un isolant secondaire 2 à 5 fois plus performant que l'isolant principal. 7 Diamètre Epaisseur Alpha Epaisseur Longueur Section de la Gain en volume équipement d'isolant mini (a) d'isolant mini d'application de boîte de boîte principal (D) emin1 (isolant emin1 (isolant l'isolant secondaire principal) secondaire (L) m m rad m m m2 0/0 4,00 0,50 0,00 0,50 0,00 25,00 Référence 4,00 0,20 0,55 0,50 2,11 19,36 22,56 4,00 0,10 0,64 0,50 2,40 17,64 29,44 4,00 0,25 0,51 0,50 1,94 20,25 19,00 En appliquant l'isolant secondaire 5 sur une longueur L de 2 mètres, nous obtenons une réduction de volume de la structure 1 de 20 à 30%. Ce calcul est approximatif car il ne tient pas compte de certains facteurs de forme pour les pertes thermiques, mais il permet néanmoins de constater que l'usage de ces isolants secondaires est très avantageux. De préférence, l'isolant secondaire 5 prendra la forme d'une ou plusieurs plaques. Plusieurs plaques de taille standard peuvent être juxtaposées pour couvrir la surface voulue. En particulier, l'isolant pourra être 1 o un panneau isolé sous vide tel que décrit dans US-A-4726974 ou US-A-5445857 ou un autre type de panneau isolant par exemple, tel que décrit dans US-A-3894372 ou US-A-6335074. Alternativement, l'isolant secondaire 5 aura une forme de portion de cylindre pour entourer une partie d'un équipement cylindrique comme une colonne, un tuyau, un stockage ou un élément de 15 structure cylindrique (poteau, poutre ou contreventement). Alternativement encore, l'isolant secondaire 5 aura une forme en U pour être disposé sur une poutre, un poteau ou un contreventement de section carrée ou rectangulaire. On peut également envisager de positionner l'isolant secondaire 5 en fonction de l'exposition au soleil, la face sud (dans l'hémisphère nord) étant 20 revêtue d'isolant secondaire (ou proportionnellement plus d'isolant secondaire 5 que les autres faces de l'installation). A l'inverse, pour éviter la présence de givre, on peut augmenter l'épaisseur d'isolant secondaire 5 sur les faces les moins exposées au soleil dans des zones tempérées ou froides. Il peut être également utile de tenir en compte la présence d'unités 25 proches de l'installation qui opèrent à température élevée et peuvent ainsi transférer de la chaleur à l'installation. Les faces de la structure 1 en proximité de ces unités peuvent être revêtus d'isolant 5 pour permettre de rapprocher l'installation des autres unités du site. La colonne 2 peut être une simple colonne de séparation d'air, une 30 colonne d'argon, une colonne de mélange ou toute autre colonne de séparation d'un gaz de l'air. De même la structure 1 peut contenir un système de colonnes et/ou plusieurs échangeurs de chaleur et/ou plusieurs tuyauteries. Cette invention est décrite par rapport à un appareil de distillation d'air. Or l'invention s'applique évidemment à d'autres distillations ou procédés opérant à basse température, notamment une installation servant à la distillation de l'hydrogène et du monoxyde de carbone.5 REVENDICATIONS 1) Installation comprenant : • au moins un équipement à isoler thermiquement (2,6A à 6J) • une structure (1) pour contenir au moins un équipement • un isolant principal (13) contenu dans la structure et caractérisée en ce que l'isolant principal est un isolant solide et en ce qu'elle comprend un isolant secondaire (15) de conductivité thermique plus faible que l'isolant principal associé à cet isolant principal. 2) Installation selon la revendication 1 dans laquelle la conductivité thermique de l'isolant secondaire (5) est au moins deux fois plus faible que celle de l'isolant principal (3). 3) Installation selon la revendication 1 ou 2 dans laquelle au moins un équipement à isoler (2,6A à 6J) contient en opération au moins un fluide à une température cryogénique. 4) Installation selon la revendication 1, 2 ou 3 dans laquelle l'isolant principal (3) est sous forme de poudre, par exemple de la perlite. 5) Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle l'isolant secondaire (5) est sous forme d'un panneau, étant de préférence un panneau isolé à vide. 6) Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle l'isolant secondaire (5) est mis en place sur l'équipement à isoler (2,6A à 6J). 30 7) Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle l'isolant secondaire (5) est placé sur l'enveloppe extérieure et/ou intérieure de la structure (1).25 8) Installation selon l'une des revendications 6 ou 7 dans laquelle l'isolant secondaire (5) est intégré à l'enveloppe extérieure ou intérieure de la structure de la boîte froide (1) et/ou sur l'équipement (2,6A à 6J). 9) Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle l'isolant secondaire (5) est entre l'équipement à isoler (2,6A à 6J) et l'enveloppe extérieure de la structure de la boîte froide (1). 10 10) Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle l'isolant secondaire (5) est à l'extérieur de l'enveloppe extérieure de la structure de la boîte froide (1). 11) Installation selon l'une des revendications précédentes dans 15 laquelle l'isolant secondaire (5) est situé sur au moins une partie saillante de la structure de la boîte froide (1), par exemple sur des contreventements ou des poutres. 12) Installation selon l'une des revendications précédentes dans 20 laquelle l'isolant secondaire (5) est installé, de préférence uniquement, sur au moins une région de l'équipement (2,6A à 6J) se trouvant à une distance de la structure inférieure à un seuil donné et/ou sur au moins une région de structure se trouvant à une distance de l'équipement inférieure à un seuil donné. 25 13) Installation selon la revendication 12 dans laquelle l'isolant secondaire (5) est installé sur toutes les régions de l'équipement (2,6A à 6J) se trouvant à une distance de la structure inférieure à un seuil donné et/ou sur toute région de la structure se trouvant à une distance de l'équipement inférieure à un seuil donné. 30 14) Installation selon la revendication 13 dans laquelle toute région de tout équipement (2,6A à 6J) se trouvant à une distance du point le plus proche5de la structure inférieure à un seuil donné et/ou sur toute région de la structure se trouvant à une distance du point le plus proche de l'équipement inférieure à un seuil donné est isolée au moyen d'un isolant secondaire (5). 15) Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle l'équipement (2,6A à 6J) est un stockage, un séparateur de phases, une colonne (2), un échangeur de chaleur, une tuyauterie (2,6A à 6J), une pompe ou une turbine. 16) Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle la structure (1) contient un appareil de distillation cryogénique, de préférence d'air. 17) Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle l'isolant secondaire (5) est installé sur au moins une région de structure dont l'exposition est plus ou moins ensoleillée que d'autres régions de la structure. 18) Installation selon la revendication 17 dans laquelle l'épaisseur d'isolant secondaire (5) est plus élevée dans au moins une région de structure dont l'exposition est plus ou moins ensoleillé- que d'autres régions de la structure.