Brevet FR3017443A1 — publié le 20150814

La présente invention est relative à une enceinte isolée, en particulier à une enceinte isolée au moyen d'un isolant solide, opérant à température subambiante ou cryogénique. Elle concerne également un procédé de balayage d'une telle enceinte. Les unités de séparation d'air disposent d'un système isolant permettant de limiter les échanges de chaleur entre le milieu extérieur et les différents équipements industriels tels que les colonnes et échangeurs. Ce système isolant utilise en général un (ou plusieurs) matériau(x) isolant(s) (perlite, laine de roche,...) contenu pour des raisons mécaniques, dans de grandes structures métalliques communément appelées boîtes froides (en anglais « cold box »). Ces enceintes ne sont pas étanches vis à vis de l'air extérieur et pour des raisons d'efficacité thermique et de sécurité, un débit continu d'azote gazeux assure un balayage à l'intérieur de ces boîtes froides. Comme illustré dans WO-A- 2004015347, il est connu d'envoyer de l'azote gazeux provenant de la distillation dans l'isolant au moyen d'un distributeur placé au milieu de la masse d'isolant. Ceci ne permet pas une distribution optimale du gaz 20 inerte. Pour maintenir une atmosphère sèche dans l'isolant d'une boîte froide, on utilise généralement de l'azote provenant du réseau de gaz inerte de l'usine, avec une teneur d'oxygène inférieur à 5%, en créant une légère surpression par rapport à la pression atmosphérique afin d'éviter toute entrée d'air humide dans l'isolant. Ce 25 fluide doit être parfaitement sec et déshuilé. En effet, toute entrée d'humidité dans la boîte froide a pour conséquence de dégrader la performance thermique de l'isolant (perlite). De plus, une entrée d'air même sec, présente un risque de condensation d'air enrichie en oxygène dès lors que la température de l'isolant (à proximité de l'appareil cryogénique) est inférieure à la température de rosée de l'air. Ce 30 phénomène peut ensuite présenter un risque d'inflammation et/ou d'explosion avec tout élément facilement inflammable dans de l'air enrichie. Dans l'enveloppe principale de la boîte froide, il faut également assurer un renouvellement continu de l'atmosphère: - pour évacuer l'air ambiant après ouverture et isolation. 35 - pour diluer et évacuer toute entrée d'air éventuelle. Le débit horaire à prendre en compte pour l'inertage doit permettre de renouveler l'atmosphère de la boîte froide en 24 h environ, soit un débit horaire de 1/25 du volume total de la boîte. Selon un objet de l'invention, il est prévu une enceinte isolée comprenant au moins un élément devant fonctionner à une température subambiante, voire cryogénique, l'espace autour de l'élément ou des éléments étant rempli d'isolation solide et des moyens pour injecter un gaz contenant au moins 95% mol d'azote dans l'isolation, caractérisé en ce qu'au moins certains des moyens pour injecter le gaz dans l'isolation débouchent dans de l'isolation disposée à une position verticalement au-dessus d'au moins un élément à isoler lors du fonctionnement de l'au moins un élément. Selon d'autres aspects de l'invention : -au moins certains des moyens pour injecter le gaz dans l'isolation débouchent à une position verticalement directement au-dessus d'au moins un élément à isoler lors du fonctionnement de l'au moins un élément. - l'élément à isoler est un stockage - l'élément à isoler est une colonne de distillation ou de lavage contenant des moyens permettant un échange de chaleur et de matière - l'élément à isoler est ou un échangeur de chaleur - l'élément à isoler est un vaporiseur-condenseur - l'élément à isoler est un tuyau métallique - l'élément à isoler est un filtre. - les moyens pour injecter un gaz sont constitués par au moins un tuyau perforé rigide, de préférence en acier ou en aluminium. -les moyens pour injecter le gaz sont disposés de sorte que le gaz rentre directement dans l'isolation de l'enceinte uniquement par le haut de l'enceinte -le tuyau perforé comprend au plus une seule perforation par 50mm de longueur de tuyau, voire au plus une seule perforation par 100 mm de longueur de tuyau -le tuyau perforé est entouré par un élément perméable pour empêcher l'entrée d'isolant par les perforations -l'isolant est de la perlite -au moins certains des moyens pour injecter le gaz sont constitués par au moins un tuyau poreux positionné verticalement à l'intérieur de l'enceinte, ayant une longueur égale à au moins la moitié de la hauteur de l'enceinte, voire ayant une longueur substantiellement égale à la hauteur de l'enceinte, le tuyau étant perforé, tout tuyau poreux étant disposé uniquement dans une partie de l'enceinte devant opérer à une température au-dessus d'un seuil, le seuil étant plus élevée que la température minimale de l'enceinte, le seuil pouvant être -100°C, voire -50°C. - un tuyau poreux a une porosité d'au moins 5% - le tuyau poreux est en polyéthylène ou en polyvinyle de chlorure ou en agglomérat de particules de caoutchouc - certains des moyens pour injecter le gaz sont constitués par au moins un tuyau perforé rigide en métal et les moyens pour injecter le gaz composé d'au moins un tuyau perforé rigide sont disposés au moins dans une partie de l'enceinte devant opérer à une température en dessous du seuil. - au moins certains des moyens pour injecter le gaz sont constitués par au moins trois tuyaux flexibles parallèles positionnés verticalement à l'intérieur de l'enceinte, ayant chacun une longueur égale à au moins la moitié de la hauteur de l'enceinte, voire ayant une longueur substantiellement égale à la hauteur de l'enceinte, le tuyau étant perforé, voire poreux. - le tuyau flexible est poreux sur toute sa surface, de sorte que le tuyau fournit du gaz sur au moins la plupart de, voire toute la hauteur de l'enceinte. - les pores du au moins un tuyau flexible ont un diamètre d'entre 1 et 100pm. - au moins certains des moyens pour injecter le gaz sont constitués par au moins un tuyau flexible positionné horizontalement à l'intérieur de l'enceinte, longeant le toit de l'enceinte. - l'isolant solide est un isolant pulvérulent, ayant des dimensions de particules allant par exemple de 150 à 800 pm. Selon l'invention, il est également prévu un procédé de balayage d'une enceinte isolée ayant plusieurs parois et étant substantiellement étanche à l'air, à l'intérieur de l'enceinte au moins un élément devant fonctionner à une température subambiante, voire cryogénique, l'espace à l'intérieur de l'enceinte autour de l'élément ou des éléments étant rempli d'isolation solide dans lequel on injecte un gaz contenant au moins 95% mol d'azote dans l'isolation de sorte que le gaz est injecté dans l'isolation à au moins une position verticalement au-dessus d'au moins un élément à isoler. Eventuellement l'enceinte comprend plusieurs éléments à isoler et le procédé prévoit d'injecter du gaz à au moins une position verticalement au-dessus de chaque 35 élément. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures, qui illustrent des enceintes isolées selon l'invention. La Figure 1 montre un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant trois enceintes isolées selon l'invention. Une double colonne C est disposée dans une première enceinte CB1, la colonne étant entourée de perlite. L'enceinte contient également un échangeur de chaleur SR. L'enceinte CB1 peut recevoir l'ajout de caissons de liaison vers des pompes ou des turbines P. Une colonne de séparation d'argon surmontée d'un condenseur de tête R est disposée dans un deuxième enceinte CB2, isolée avec de la perlite. Une troisième enceinte CB3 contient des filtres F. Le système de ventilation à l'azote comprend un équipement d'injection de débit composé d'une vanne d'isolement ou de réglage, d'un débitmètre à flotteur, d'une soupape (si la pression d'alimentation est > 1 bar). L'azote circule dans des tuyaux d'alimentation verticaux 1 non-perforés et non-poreux. Au-dessus de la colonne C l'azote est déversé dans une rampe de distribution perforée D3, constituée par des tuyaux horizontaux pliés en carrés disposée juste au-dessus de la colonne C. Les rampes sont constituées de tubes perforés. Les perforations formées dans les tubes ont un diamètre de 6 mm et sont percées tous les 100 mm environ et ensuite recouvertes de tissu de verre si l'isolant est de la perlite. Les rampes de distribution, ainsi que les tuyauteries d'alimentation, sont réalisées en tubes en acier selon les classes de tuyauteries, et assemblés par tronçons rectilignes soudés en onglet à 45°. La rampe, de forme carrée, est placée directement au-dessus du dôme de la colonne, de sorte que l'azote rentre dans l'isolation juste au-dessus de la colonne. Le support s'effectue à partir de l'ossature d'enveloppe, en toiture de l'enceinte CB1. L'azote est donc injecté uniquement par en haut de l'enceinte. Au contact des surfaces froides des tuyaux, échangeurs de chaleur et/ou colonnes, il devient plus dense et descend. Arrivé en bas de l'enceinte, en rejoignant les parois de la structure, il se réchauffe et remonte créant ainsi des courants de convection du haut vers le bas et le haut et le bas. Ceci assure une circulation d'azote à l'intérieur de la boîte froide. Pour la deuxième enceinte CB2, des distributeurs D1, D2 en forme de tuyau horizontal perforé distribuent l'azote au-dessus du condenseur R et de la colonne (non-illustrée). Pour la troisième enceinte CB3, une rampe perforée formé par au moins un tuyau métallique perforé est disposée au-dessus des filtres F, qui servent à filtrer l'oxygène liquide produit par la colonne C. La rampe est alimentée à partir d'un tuyau 5 non-perforé et non-poreux. Ceci est également le cas pour les caissons de liaison vers pompes et turbines P Pour le cas où une enceinte contient un échangeur, par exemple un échangeur à plaque et à ailettes en aluminium brasé, l'azote est déversé directement au-dessus du bout chaud de l'échangeur de chaleur. L'azote provient de la colonne C elle-même et sort de la colonne et est chauffé jusqu'à la température ambiante avant d'être renvoyé au circuit de gaz de balayage à cette température. L'azote sera ensuite refroidi par son passage à travers l'isolant de la température ambiante jusqu'à la température d'opération de la colonne C. En alternatif, l'azote peut provenir d'un stockage ou d'un réseau existant, par exemple pour les phases de démarrage. Comme l'enceinte est étanche à l'air, l'azote sort de l'enceinte par une conduite V et est envoyé à l'air. La Figure 2 présente des enceintes isolées perfectionnées par rapport à celles de la Figure 1. Le système de la Figure 1 présente quelques défauts en termes de coûts et de délai d'installation. Le coût de ce système de balayage ne se réduit pas uniquement au coût des matériels (vanne, débitmètre à flotteur, tuyauteries en acier,...) mais au contraire, comprend le coût de fabrication et d'installation d'un tel système. A titre d'exemple, pour un appareil de taille moyenne (1600 t/jr d'oxygène), le coût est d'environ de 10 kE pour la boîte froide de la colonne de distillation d'un diamètre de 3,5 mètres et d'une hauteur de 52 mètres. Le délai de préfabrication et d'installation sur site d'un tel système est également assez long et peut représenter une vraie contrainte par rapport à la réalisation finale d'une unité de séparation des gaz de l'air (ASU). A titre d'exemple, le délai pour un appareil de taille moyenne (1600 t/jr d'oxygène), est de 2 semaines. L'efficacité du système de la Figure 1 en termes de balayage au sein de l'ensemble de l'isolant présent dans la boîte froide est assez réduite du fait que l'injection de l'azote gazeux s'effectue à une seule extrémité de la boîte froide et qu'il doit parcourir une grande distance à travers également une grande section. De plus, l'isolant installé dans la boîte froide est plus ou moins compacté (dense) en fonction des zones dans laquelle il se situe dans la boîte froide et présente donc des pertes de charges différentes d'un endroit à l'autre, créant ainsi des chemins préférentiels où il y a beaucoup de débit d'azote et d'autres où il y en a très peu, voire pas du tout. Certaines zones ne sont donc pas balayées à l'azote gazeux ou ne sont pas suffisamment balayées. Selon la variante de la Figure 2, une partie de l'azote de balayage est distribuée par les mêmes moyens que pour la Figure 1. Les moyens Dl, D2, D3, D4 continuent à distribuer de l'azote au-dessus des éléments fonctionnant aux températures les plus froides et sont alimentés directement par des tuyaux 1, 3,5 en métal qui sont rigides. Pour assurer une meilleure distribution de l'azote, une autre partie de l'azote de balayage est fournie par un réseau d'au moins un tuyau flexible poreux, de préférence du commerce. Cet au moins un tuyau flexible L peut être positionné de façon verticale le long des parois de la boite froide, assurant ainsi une distribution homogène d'azote sur toute la hauteur et la section de la boîte froide. De préférence une série de tuyaux flexibles sont disposés parallèlement les uns aux autres de sorte qu'aucune partie de la paroi de l'enceinte ne se trouve de plus d'une distance minimale d'un tuyau. Dans l'exemple, trois tuyaux flexibles L sont disposés le long d'un mur intérieur de la paroi de l'enceinte et peuvent être fixés à celle-ci. Les tuyaux peuvent être alimentés de sorte que l'azote descend d'en haut de l'enceinte vers la bas de l'enceinte. Soit le tuyau est fermé vers le bas, de sorte que tout l'azote traverse la paroi du tuyau ou remonte dans le tuyau. Sinon le tuyau peut faire partie d'un réseau. Comme le tuyau flexible L est poreux, par exemple ayant une porosité de 5%, ce qui veut dire que 5% de la surface est composé de pores ouvertes, et a une longueur au moins égale à la moitié de la hauteur de l'enceinte, voire a substantiellement la même longueur que la hauteur de l'enceinte, toute la paroi intérieur de l'enceinte se trouve balayé en permanence avec de l'azote. Les tuyaux flexibles seront assemblés de préférence au moyen de raccords du commerce (tés, bouchons, coudes, réductions ou vannes). Les tuyaux poreux peuvent être en polyéthylène, en polyvinyle de chlorure, en 30 agglomérat de particules de caoutchouc. L'usage de ce genre de matériau est rendu possible par le fait qu'ils sont entourés par le gaz de balayage riche en azote. Les tuyaux poreux ont un diamètre interne allant, par exemple, de 10 à 16mm. Dans certains cas, le matériau du tuyau poreux ne peut être utilisé à la température la plus basse observée à l'intérieur de l'enceinte. Dans ce cas, le tuyau 35 poreux ne sera utilisé que dans les parties de l'enceinte où la température est au- dessus d'un seuil, par exemple -100°C, ou -50°C. Dans les parties de l'enceinte où la température en dessous de ce seuil, seuls des moyens de distribution utilisables à basse température, par exemple les tuyaux rigides métalliques, seront employés. Evidemment les tuyaux métalliques peuvent également être présents dans des parties de l'enceinte où la température est au-dessus du seuil. Ainsi on voit à la figure 2, que les tuyaux poreux L ont une partie verticale longeant la paroi verticale de l'enceinte et une partie horizontale. La rampe de tuyaux rigides métalliques D1, D2, D3, D4, de forme carrée, sera installée au sommet des équipements contenu dans la boîte froide comme 10 précédemment. Le rideau de tuyau poreux L pourra pendre du sommet de la rampe carrée et être fixé si besoin sur les parois verticales intérieures de la boîte froide. La rampe de tuyaux installée au sommet des équipements peut également être composée de tuyaux poreux. Cette rampe peut être de forme carré, en étoile, etc. L'azote de balayage peut être fourni par un circuit de tuyaux rigides 15 indépendant du circuit de tuyaux souples. Sinon le réseau de tuyaux souples peut être relié au réseau de tuyaux rigides. L'intérêt principal est d'assurer une répartition homogène de la distribution en azote gazeux dans l'enveloppe de la boîte froide par un système simple peu couteux et rapide à mettre en place. Le prix public de ces tuyaux poreux est seulement de 42 20 E les 50 mètres linéaire (pour un tuyau poreux 16 mm x 22m, pour micro irrigation arrosage automatique). Ce tarif devrait en plus être nettement moins cher pour les industriels et pour des quantités plus importantes. De plus la porosité du tuyau permet de l'installer directement dans la perlite sans que celle-ci ne pénètre à l'intérieur des tuyaux et pouvant ainsi poser des problèmes de bouchage. 25 L'utilisation de ces tuyaux poreux permet également : - De réduire le cout du système actuel en s'affranchissant de la phase de perçage de la rampe carrée par des trous de diamètre de 6mm tous les 100mm. - De réduire le temps d'installation (plus de coupes biaises à réaliser sue la rampe de distribution, plus de soudures, plus de nécessité d'emmailloter la rampe 30 de distribution carrée quand celle-ci se trouve dans la perlite). - De réduire le poids de la boîte froide quand celle-ci est en paquet. Le poids du tuyau micro poreux est d'environ 100 g par mètre linéaire, comparé à du tuyau en acier qui est de 2.5 kg par mètre linéaire. Dans l'exemple de la Figure 2, seule l'enceinte CB1 comprend des tuyaux poreux verticaux mais il est clair que cette disposition pourrait être déployée dans chacune des enceintes. L'invention s'applique à toute enceinte isolée thermiquement nécessitant un système de balayage à l'azote gazeux et en particulier les enceintes isolées permettant de limiter les échanges de chaleur entre le milieu extérieur et les différents équipements industriels cryogéniques (colonnes de distillation, échangeurs de chaleur) des unités de séparation d'air ou de mélange ayant pour composants principaux de l'azote et/ou de l'hydrogène et/ou du monoxyde de carbone et/ou du dioxyde de carbone et/ou du méthane. Il sera compris que si l'invention est illustrée par apport à un appareil de séparation à double colonne avec production d'argon et d'oxygène sous forme liquide, il est clair que l'invention s'applique une enceinte faisant partie d'un appareil de séparation d'air à simple colonne ou sans production d'argon ou sans production d'oxygène. L'invention s'applique à des enceintes refermant des colonnes de distillation ou de lavage de mélanges autres que l'air pour lesquels la séparation s'effectue à des températures subambiantes, tels que des gaz de synthèse contenant de l'hydrogène et/ou du monoxyde de carbone ou d'autres mélanges contenant du méthane et/ou du dioxyde de carbone et/ou du monoxyde de carbone et/ou de l'azote et/ou de l'oxygène et/ou de l'hydrogène. REVENDICATIONS1. Enceinte isolée (CB1,CB2,CB3) comprenant au moins un élément (C, R, F) devant fonctionner à une température subambiante, voire cryogénique, l'espace autour de l'élément ou des éléments étant rempli d'isolation solide et des moyens pour injecter un gaz contenant au moins 95% mol d'azote dans l'isolation, caractérisé en ce qu'au moins certains des moyens (D1, D3,D3',D4) pour injecter le gaz dans l'isolation débouchent dans de l'isolation disposée à une position verticalement au- dessus d'au moins un élément à isoler, lors du fonctionnement de l'au moins un élément. 2. Enceinte selon la revendication 1 dans lequel l'élément à isoler est un stockage ou une colonne de distillation (C ) ou de lavage contenant des moyens permettant un échange de chaleur et de matière ou un échangeur de chaleur ou un vaporiseur-condenseur (R) ou un tuyau métallique à isoler ou un filtre (F). 3. Enceinte selon la revendication 2 dans lequel les moyens pour injecter un gaz sont constitués par au moins un tuyau perforé rigide.(D1, D3,D3',D4). 4. Enceinte selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins certains des moyens pour injecter le gaz sont constitués par au moins un tuyau poreux (L) positionné verticalement à l'intérieur de l'enceinte, ayant une longueur égale à au moins la moitié de la hauteur de l'enceinte, voire ayant une longueur substantiellement égale à la hauteur de l'enceinte, le tuyau étant perforé, éventuellement tout tuyau poreux étant disposé uniquement dans une partie de l'enceinte devant opérer à une température au-dessus d'un seuil, le seuil étant plus élevée que la température minimale de l'enceinte (CB1) le seuil pouvant être -100°C, voire -50°C. 5. Enceinte selon la revendication 4 dans lequel certains des moyens pour injecter le gaz sont constitués par au moins un tuyau perforé rigide en métal (D1, D3,D3',D4) et dans lequel les moyens pour injecter le gaz composé d'au moins untuyau perforé rigides sont disposés au moins dans une partie de l'enceinte devant opérer à une température en dessous du seuil. 6. Enceinte selon la revendication 4 ou 5 dans laquelle au moins certains des moyens pour injecter le gaz sont constitués par au moins trois tuyaux flexibles parallèles (L) positionnés verticalement à l'intérieur de l'enceinte (CB1), ayant chacun une longueur égale à au moins la moitié de la hauteur de l'enceinte, voire ayant une longueur substantiellement égale à la hauteur de l'enceinte, le tuyau étant perforé. 7. Enceinte selon l'une des revendications 3 à 6 dans laquelle le tuyau flexible (L) est poreux sur toute sa surface, de sorte que le tuyau fournit du gaz sur au moins la plupart de, voire toute la hauteur de l'enceinte (CB1). 8. Enceinte selon l'une des revendications 3 à 7 dans laquelle les pores du au moins un tuyau flexible (L) ont un diamètre d'entre 1 et 100pm. 9. Enceinte selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins certains des moyens pour injecter le gaz sont constitués par au moins un tuyau flexible positionné horizontalement à l'intérieur de l'enceinte (CB1,CB2,CB3), longeant le toit de l'enceinte. 10. Procédé de balayage d'une enceinte isolée (CB1,CB2,CB3) ayant plusieurs parois et étant substantiellement étanche à l'air, à l'intérieur de l'enceinte au moins un élément (C, R, F) devant fonctionner à une température subambiante, voire cryogénique, l'espace à l'intérieur de l'enceinte autour de l'élément ou des éléments étant rempli d'isolation solide dans lequel on injecte un gaz contenant au moins 95% mol d'azote dans l'isolation de sorte que le gaz est injecté dans l'isolation à au moins une position verticalement au-dessus d'au moins un élément à isoler.30