Brevet FR3018904A1 — publié le 20150925

La présente invention concerne un appareil de séparation de gaz par distillation ou lavage à une température subambiante, en particulier à une température inférieure à 0°C. Traditionnellement, la conservation du froid sur les équipements de distillation cryogéniques d'air ou de gaz de synthèse est faite avec un isolant pulvérulent de type perlite, ou avec un isolant fibreux de type laine de roche, et maintenue en place par une structure métallique. La température qui doit être maintenue sur ces types d'appareils est d'environ -196°C. Il est connu d'utiliser des panneaux d'isolant fixés sur l'équipement à isoler ou sur les parois de la structure métallique afin de réduire la quantité d'isolant pulvérulent utilisé, mais ceci ne permet qu'une petite réduction de volume de la structure métallique. Pour les appareils de séparation de gaz riche en CO2, la température du procédé nécessite des valeurs beaucoup plus chaudes, environ de -50°C. Le fonctionnement à proximité du point triple entraîne un risque de solidification dans les équipements basse pression. La conséquence serait un arrêt de la distillation nuisible à la disponibilité du produit. Pour les procédés de captage de CO2 contenant du CO, la présence d'une boite calorifuge entraîne, de par son confinement, un risque de concentration de CO dangereux pour les personnes. La présente invention vise donc à éliminer complètement la structure métallique entourant l'équipement de distillation et d'utiliser une isolation appliquée directement en une couche sur les surfaces exposées de l'équipement de distillation. Il est préconise, selon l'invention, pour les applications à températures entre 0°C et -110°C environ, l'installation d'un calorifuge de type non pulvérulent. Ce calorifuge peut être projeté, par exemple le polyuréthane, ou non projeté Pour des températures de distillation en dessous de -110°C, le problème supplémentaire qui se pose est que le isolant doit suffisamment empêcher le transfert de frigories, et une barrière mécanique (par exemple pare-vapeur) ou l'injection d'un gaz inerte (par exemple azote) est nécessaire pour éviter la condensation d'air ambiant autour de la surface extérieure de l'isolation. Ceci peut conduire à un enrichissement localisé de l'air autour de l'isolation et donc des dangers d'explosion pour le personnel opérant l'usine. Pour ces applications, on préconise l'usage d'un isolant à cellules fermées, par exemple l'Armaflex de la société Armacell, qui est un isolant bien plus performant que la perlite. L'Armaflex présente une conductivité de 0,0214W/mK à - 165°C, l'aérogel présente une conductivité de 0,0098M/mK à -200°C et la perlite varie de 0,03 à 0,02 W/mK en fonction de la température. Un revêtement hydrophobe et même imperméable adapté à cet usage est le matériel Arma-Chek O. Celui-ci peut être disposé entre l'ambiant et la couche (ou la dernière couche) d'isolant, par exemple l'Armaflex 0, pour la rendre hydrophobe Il est également recommandé, selon l'invention, d'installer la majorité des vannes et/ou accessoires et/ou tuyaux associés à la colonne, isolée par une isolation posée directement sur sa surface, dans une boîte froide dédiée, ne contenant pas de colonne. Cette boîte froide comprend une ossature revêtue de tôle métallique et remplie d'isolant pulvérulent, tel que la perlite. Cette ossature peut être préfabriquée en atelier, la colonne peut être isolée dans son atelier de fabrication. L'ensemble de la boîte froide et la colonne associée peut être installé rapidement sur site, réduisant le temps de montage et surtout les risques liés à la construction sur site, tels que les retards, les intempéries, la main d'ceuvre non qualifiée. Le type d'isolation utilisé selon l'invention permet un démontage rapide, pour le réchauffage de l'équipement en temps réduit, sans aucun démontage de structure ni vidage de perlite. L'absence de structure métallique évite tout confinement et simplifie les systèmes de sécurité. D'éventuelles fuites peuvent être détectées par de simples analyseurs extérieurs. Le retrait de la structure métallique permet un gain de 30% sur le poids et réduit les dimensions du transport. La colonne peut être transportée sur le site où elle doit être installée avec ou sans calorifuge. Cette invention permet ainsi un gain de 20% sur prix d'une colonne de distillation. Selon un aspect de l'invention, il est prévu une colonne de distillation ou de lavage destinée à opérer à une température inférieure à la température ambiante constituée une enceinte métallique contenant des éléments adaptés à favoriser un échange de masse et de chaleur, substantiellement tout l'extérieur de l'enceinte, à part éventuellement une partie destinée à être ancrée au sol, étant revêtu d'au moins une couche de matériau isolant qui juxtapose la surface extérieure de l'enceinte, la couche ou la surface extérieure de la couche en contact avec l'ambiant étant hydrofuge, voire imperméable. Ainsi l'invention prévoit une colonne isolée sans boîte froide, la boîte froide, bien connu dans l'art, étant une enceinte en tôle de métal, entourant une colonne. Selon d'autres aspects de l'invention : - l'enceinte est la colonne cylindrique contenant des éléments adaptés à favoriser un échange de masse et de chaleur - la colonne est équipée de tuyaux destinés à transporter des fluides en provenance de ou vers l'enceinte, les tuyaux étant également revêtus d'une couche de matériau isolant qui juxtapose la surface extérieure des tuyaux. - l'isolant a une conductivité thermique inférieure à 0,03 W/mK, voire à 0,025 W/mK à la température d'opération de la colonne - l'isolant comprend de la mousse projetée sur la colonne. - l'isolant comprend au moins une couche de mousse à cellules fermées qui est découpée et rattachée à la colonne. - la colonne est adaptée pour fonctionner pour mettre en oeuvre une distillation à une température inférieure à -110°C. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de distillation comprenant au moins une colonne tel que décrite ci-dessus dans lequel la colonne est à l'air libre, isolée de l'air uniquement par la ou les couche(s) de matériau isolant. Selon d'autres aspects facultatifs : l'appareil comprend des tuyaux reliés à la colonne et permettant le transport de fluides vers la colonne ou depuis la colonne, au moins une partie des tuyaux étant disposées à l'intérieur d'une ossature métallique revêtue de plaques métalliques et remplie d'un isolant éventuellement pulvérulent, l'ossature métallique ne contenant pas de colonne de distillation ou éventuellement d'échangeur. l'ossature contient des vannes et/ou au moins un séparateur de phases et/ou au moins un échangeur de chaleur relié à un tuyau, le tuyau étant est relié à la colonne à deux niveaux différents de celui-ci, éventuellement à des sections de la colonne adaptées pour fonctionner à des pressions différant d'au moins 2 bars. - l'appareil comprend des moyens pour envoyer à la colonne de l'air ou un mélange ayant au moins deux des composants suivants comme composants principaux : dioxyde de carbone, monoxyde de carbone, hydrogène, méthane, argon, oxygène, azote, hélium, krypton, xénon. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de distillation ou de lavage à température subambiante dans lequel un fluide est envoyé à une colonne de distillation ou de lavage opérant à une température inférieure à la température ambiante, constituée par une enceinte métallique contenant des éléments adaptés à favoriser un échange de masse et de chaleur, substantiellement tout l'extérieur de l'enceinte, à part éventuellement une partie destinée à être ancrée au sol, étant revêtue d'une couche de matériau isolant qui juxtapose la surface extérieure de l'enceinte, la couche ou la surface extérieure de la couche en contact avec l'ambiant étant hydrofuge, voire imperméable. Selon d'autres aspects de l'invention : - l'enceinte est la colonne cylindrique contenant des éléments adaptés à favoriser un échange de masse et de chaleur - la colonne est équipée de tuyaux destinés à transporter des fluides en provenance de ou vers l'enceinte, les tuyaux étant également revêtus d'une couche de matériau isolant qui juxtapose la surface extérieure des tuyaux. - l'isolant a une conductivité thermique inférieure à 0,03 W/mK, voire à 0,025 W/mK à la température d'opération de la colonne - l'isolant comprend de la mousse projetée sur la colonne. l'isolant comprend au moins une couche de mousse à cellules fermées qui est découpée et rattachée à la colonne. - la distillation s'effectue à une température inférieure à -110°C. - le fluide est de l'air ou un mélange ayant au moins deux des composants suivants comme composants principaux : dioxyde de carbone, monoxyde de carbone, hydrogène, méthane, argon, oxygène, azote, hélium, krypton, xénon. L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures. La Figure 1 illustre une simple colonne de distillation C ayant un rebouilleur de cuve. Cette colonne peut être une colonne de séparation d'air ou peut servir à séparer un mélange d'au moins deux des composants suivants : dioxyde de carbone, monoxyde de carbone, azote, oxygène, argon, hydrogène, méthane. De préférence le mélange contient au moins 30% mol d'un voire deux de ces composants La distillation doit donc s'effectuer à une température subambiante, voire une température cryogénique. Pour isoler la colonne de l'air ambiant, la colonne C est revêtue d'au moins une couche d'isolant 1, pouvant être du polyuréthane projeté sur la colonne ou de l'Armaflex O. La surface extérieure de l'isolant peut porter un revêtement hydrofuge, voire imperméable. Sinon ou en addition, la seule couche d'isolant ou au moins la couche extérieure d'isolant peut être hydrofuge, voire imperméable. La colonne est ancrée dans le sol. Aucune structure métallique n'entoure la colonne et celle-ci peut donc fonctionner pour la distillation étant isolée uniquement par l'isolant I. La colonne n'est pas entourée de perlite ou de laine de roche. Les tuyaux T1, T2, T3, T4 permettent de transporter des fluides à la colonne C ou depuis la colonne C. Dans cette variante les tuyaux sont également à l'air libre et sont isolés au moyen d'au moins une couche d'isolant 11, 12, 13, 14. Dans ce cas, la surface extérieure de l'isolant doit être rendue hydrofuge comme pour la colonne. Selon une autre variante, illustrée dans la Figure 2, la colonne C est isolée au moyen d'au moins une couche d'isolant 1, pouvant être du polyuréthane ou de l'Armaflex O. La surface extérieure de l'isolant peut porter un revêtement hydrofuge, voire imperméable. Sinon ou en addition, la seule couche d'isolant ou au moins la couche extérieure d'isolant peut être hydrofuge, voire imperméable. La colonne C est ancrée dans le sol 101 et la colonne isolée forme en ensemble 102. Les tuyaux T1, T2, T3, T4 sont disposés pour la plupart de leur volume dans une boîte froide 103 constituée par une ossature métallique 0 revêtue de plaques P de tôle. L'ossature 0 contient de la perlite pour isoler les tuyaux de l'air ambiant. Elle peut également contenir les vannes associées aux tuyaux et/ou des sous-refroidisseurs. Par contre, elle ne contient pas de colonne de distillation ou de stockage de diamètre de plus qu'un mètre. Elle peut contenir au moins un séparateur de phases. Ainsi les éléments 102, 103 peuvent être fabriqués sur des sites différents et être assemblés sur site pour rattacher la colonne C et les tuyaux T1, T2, T3, T4. Les parties des tuyaux devant se trouver à l'extérieur de l'ossature seront isolées comme illustrées pour la Figure 1. Ces parties peuvent faire partie du paquet correspondant à 102 ou 103. REVENDICATIONS1. Colonne de distillation ou de lavage destinée à opérer à une température inférieure à la température ambiante constituée par une enceinte métallique (C )contenant des éléments adaptés à favoriser un échange de masse et de chaleur, substantiellement tout l'extérieur de l'enceinte, à part éventuellement une partie destinée à être ancrée au sol (101), étant revêtu d'au moins une couche de matériau isolant (1) qui juxtapose la surface extérieure de l'enceinte, la couche ou la surface extérieure de la couche en contact avec l'ambiant étant hydrofuge, voire imperméable. 2. Colonne selon la revendication 1 équipée de tuyaux (T1,T2,T3) destinés à transporter des fluides en provenance de ou vers l'enceinte, les tuyaux étant également revêtus d'au moins une couche de matériau isolant (11,12,13) qui juxtapose la surface extérieure des tuyaux. 3. Colonne selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'isolant (1, 11, 12, 13) a une conductivité thermique inférieure à 0,03 W/mK, voire à 0,025 W/mK à la 20 température d'opération de la colonne 4. Colonne selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'isolant (1) comprend de la mousse projetée sur la colonne. 25 5. Colonne selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'isolant (1) comprend au moins une couche de mousse à cellules fermées qui est découpée et rattachée à la colonne. 6. Colonne selon l'une des revendications précédentes adaptée pour 30 fonctionner pour mettre en oeuvre une distillation à une température inférieure à -110°C. 7. Appareil de distillation comprenant au moins une colonne (C )selon l'une des revendications précédentes dans lequel la colonne est à l'air libre, isolée de l'air uniquement par la ou les couche(s) de matériau isolant (I). 8. Appareil selon la revendication 7 comprenant des tuyaux (T1,T2,T3) reliés à la colonne (C) et permettant le transport de fluides vers la colonne ou depuis la colonne, au moins une partie des tuyaux étant disposées à l'intérieur d'une ossature métallique (103) revêtue de plaques métalliques et remplie d'un isolant pulvérulent, l'ossature métallique ne contenant pas de colonne de distillation. 9. Appareil selon la revendication 8 dans lequel l'ossature (103) contient des vannes et/ou au moins un séparateur de phases et/ou au moins un échangeur de chaleur relié à un tuyau, le tuyau étant est relié à la colonne à deux niveaux différents de celui-ci. 10. Appareil de distillation selon l'une des revendications 7 à 9 comprenant des moyens pour envoyer à la colonne (C) de l'air ou un mélange ayant au moins deux des composants suivants comme composants principaux : dioxyde de carbone, monoxyde de carbone, hydrogène, méthane, argon, oxygène, azote, hélium, krypton, xénon.