Brevet FR3034853A1 — publié le 20161014

La présente invention est relative à une pluralité d'éléments isolants thermiquement et à un équipement isolé par cette pluralité d'éléments. 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. Cette structure métallique repose également sur une dalle en béton. Le dimensionnement de ces boîtes froides dépend à la fois du nombre de colonnes, des échangeurs, de la taille de celles-ci, des différentes tuyauteries et autres éléments cryogéniques secondaires et des distances d'isolant à mettre en oeuvre entre tous ces éléments cryogéniques et la structure externe contenant l'isolant. Sur une unité de séparation des gaz de l'air, les boîtes froides sont les structures les plus imposantes. Il peut y avoir jusqu'à trois boîtes collées les unes aux autres. Les deux plus grandes correspondes aux boîtes de la double colonne de distillation et de la colonne argon et la plus petites aux échangeurs de chaleurs. A titre d'exemple, pour un appareil de taille moyenne (1600 t/jr d'oxygène), la boîte correspondante uniquement à la double colonne de distillation mesure 7 mètres par 6 mètres au sol et 56 mètres de hauteur. Le coût d'une telle isolation ne se réduit pas uniquement au coût du matériau isolant. Au contraire, l'impact notamment de la structure métallique et de la dalle en béton est nettement plus important. Le temps de montage sur site d'un tel système est très long et représente 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 8 mois. Une des difficultés est la taille et la complexité des éléments industriels à isoler. D'une manière générale, les éléments des colonnes sont composés d'une matrice principale de forme cylindrique ou parallélépipède sur laquelle est connectée un certain nombre d'autres éléments (tuyauteries plus ou moins grosses et/ou demi cylindre) qui engendrent des difficultés pour assurer une isolation correcte. Le choix d'un isolant en poudre (par exemple perlite) installé dans une enveloppe (ex. structure métallique) permet d'échapper à ce type de problème. Le choix d'un isolant « souple » (ex. laine de roche, de verre) peut être un compromis. 3034853 2 Les éléments industriels à isoler sont des colonnes, des échangeurs de chaleur et les tuyauteries. Les géométries peuvent être de différentes formes : - Cylindrique : d'un diamètre de 1 à 6 mètres. - Plane : de 1,3 mètre de largeur et de 7 mètres de hauteur. 5 - 1/2 cylindre accolé sur une surface plane : de 0,2 à 1 mètre de diamètre. - Tuyauterie sortante de ces surfaces : de 0,2 à 1 mètre de diamètre. Le système isolant doit également permettre d'échapper les piquages d'instrumentation sortant des ces surfaces : de 5 à 50 mm de diamètre. Le (ou les) matériau(x) isolant(s) utilisés côté paroi froide doivent être compatible 10 oxygène (ex. non organique). En effet, la température de l'isolant côté paroi froide peut être inférieure à la température de rosée de l'air et par conséquent peut condenser et imbiber l'isolant de liquide riche en oxygène. Or certains matériaux notamment de nature organique peuvent s'enflammer ou exploser de manière violente en présence d'une teneur en oxygène supérieure à celle de l'air ambiant. 15 De plus, la plupart des matériaux isolants sont à cellules ouvertes ou poreux, ce qui rend ces matériaux perméables à l'air et à l'humidité. Or l'humidité, dégrade la résistance thermique du matériau. C'est la raison pour laquelle il est parfois nécessaire d'assurer un balayage à l'azote sec du matériau isolant (dans l'enveloppe contenant le matériau isolant). La surface extérieure du système isolant est soumise aux conditions climatiques 20 extérieures. Cette surface doit être étanche aux intempéries, humidité, neige. WO-A-99/26033 enseigne qu'un appareil de séparation d'air peut être disposé à l'intérieur d'une enceinte composée d'une paroi revêtue d'isolant, les colonnes et les échangeurs se trouvant dans un espace vide et les échangeurs portant un emmaillotage de laine de verre. 25 Research Disclosure 451060 décrit un appareil de distillation cryogénique isolé par disposition d'une couche d'isolation directement sur la paroi de la colonne de distillation cryogénique. Selon un objet de l'invention, il est prévu une pluralité d'éléments isolants thermiquement, chaque élément étant de section rectangulaire qui s'assemblent les uns aux 30 autres afin de former un seul ensemble autour d'un équipement cylindrique ou cuboïdal à isoler et contigu avec la paroi de l'équipement, la longueur et la largeur de chaque élément étant inférieures au périmètre de l'équipement cylindrique divisé par 3 ou à la dimension la plus longue de l'équipement cuboïdal divisé par 3. 3034853 3 Selon d'autres aspects facultatifs : - chaque élément a substantiellement la même épaisseur - les éléments sont autoportants - les éléments sont déformables, afin de conformer à la paroi de l'équipement 5 - au moins un élément isolant thermiquement se compose principalement d'une enveloppe fermée et d'au moins un matériau isolant à l'intérieur de l'enveloppe, les deux présentant des caractéristiques déformables ou souples -l'enveloppe fermée existe avant que l'élément est posé sur la paroi de l'équipement -l'élément est en forme de plaque, de préférence rigide 10 -l'enveloppe entoure l'élément de tous les côtés - le matériau isolant est un matériau pulvérulent - le matériau isolant est un corps de section rectangulaire - les éléments ont chacun une face destinée à être installée côté extérieur, à l'opposée à la paroi de l'équipement à isoler, constituée d'un matériau étanche à l'air et à l'eau 15 - au moins un élément est fixé à la paroi de l'équipement à isoler, éventuellement au moyen d'au moins un moyen de fixation attaché à la face intérieure de l'élément - le matériau isolant est disposé dans une structure alvéolaire afin que celui-ci ne se tasse pas en partie basse du matelas notamment lorsque le matériau isolant est non structuré. - au moins un élément isolant ayant au moins une dimension et/ou une forme différente 20 des autres éléments isolants afin de s'intégrer aux différentes formes de surface et de piquages existants sur les appareils à isoler - au moins la plupart des éléments sont de forme rectangulaire et chaque côté d'au moins la plupart des éléments s'emboîte avec un côté d'un autre élément De préférence, les éléments sont transportés à l'équipement en ayant une forme plate et 25 sont déformés pour être posés sur l'équipement cylindrique. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un équipement isolé au moyen d'une pluralité d'éléments telle que décrite ci-dessus dans lequel les éléments isolants sont assemblés les uns aux autres par collage ou soudure afin d'assurer une étanchéité continue et complète de l'équipement à isoler. 30 De préférence les éléments isolants sont disposés pour couvrir substantiellement toute la surface de l'équipement ou toute la surface non-isolée par un autre moyen. De préférence l'équipement est isolé au moins d'au moins 20 éléments. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu une colonne de distillation ou un échangeur de chaleur destiné(e) à être opéré(e) à une température subambiante, isolé(e) d'au 3034853 4 moyen d'une pluralité d'éléments telle que décrite ci-dessus et placé(e) à l'air libre pour assurer des échanges thermiques à température subambiante. Selon un autre aspect de l'invention il est prévu un appareil de séparation d'air ou d'un mélange contenant principalement de l'hydrogène et du monoxyde de carbone ou d'un 5 mélange contenant principalement du méthane et de l'azote ou du dioxyde de carbone ou d'un mélange contenant principalement du dioxyde de carbone et de l'azote, l'appareil comprenant au moins un équipement à isoler choisi dans le groupe : au moins une colonne de distillation, au moins un séparateur de phases, au moins un échangeur de chaleur, au moins un ensemble de tuyauteries, au moins un équipement du groupe, de préférence au moins deux équipements 10 du groupe, voire tous les équipements du groupe sont isolés au moyen d'une pluralité d'éléments telle que décrite ci-dessus, l'appareil ne comprenant pas de structure métallique entourant des éléments d'isolation. L'objectif de l'invention est de remplacer le système de type boîte froide utilisé classiquement sur les unités de séparation des gaz de l'air (ASU) pour isoler thermiquement 15 les équipements fonctionnant à températures cryogéniques. La proposition de remplacement vise à utiliser plusieurs éléments (modules) qui s'assemblent les uns aux autres afin de former un seul ensemble autour de l'équipement à isoler. Ces modules peuvent être de tailles et de formes différentes afin de s'intégrer aux différentes formes de surface et de piquages existants sur les appareils à isoler. Ces modules 20 se présentent sous forme d'un « matelas » qui s'accroche à la paroi à isoler. Leurs tailles peuvent aller de quelques dizaines de centimètres à quelques mètres. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures qui représentent des coupes d'éléments isolants selon l'invention. La Figure 1 est une coupe longitudinale d'un élément de la pluralité selon l'invention fixé à un équipement, la Figure 2 est une coupe 25 longitudinale de deux de ces éléments selon l'invention destinés à se toucher, la Figure 3 et 4 montrent des coupes d'éléments particuliers qui sont des variantes de la Figure 1. Ces éléments 1 de la Figure 1 se composent principalement d'une enveloppe 2 et d'un isolant 15, les deux présentant des caractéristiques déformables ou souples. Ainsi que les éléments peuvent être transportés comme éléments à section rectangulaires plats et ensuite 30 déformés pour épouser la forme de l'équipement qu'ils doivent isoler, si celui-ci a des parois courbes. Ainsi dans le cas d'un équipement cylindrique à section circulaire, par exemple une colonne de distillation destinée à fonctionner à des températures cryogéniques, l'élément sera déformé pour le courber pour qu'il épouse la paroi de l'équipement 17. 3034853 5 L'enveloppe 2 entoure l'isolant sur tous les côtés. L'élément a une section rectangulaire, voire carrée. L'enveloppe 3 est, elle, composée de deux parties reliées entre elles. Une première 13 est située sur la face extérieure qui est étanche à l'air et à l'eau. La toile utilisée est par exemple du PVC comme celle des toiles de camion militaire. L'avantage 5 de cette matière est que les modules une fois assemblés peuvent être collés ou soudés entre eux afin d'assurer une étanchéité continue et complète de l'élément à isoler. La deuxième partie 3 n'est pas obligatoirement étanche à l'air et à l'eau mais est compatible avec l'oxygène et aux températures cryogéniques. Elle peut être en tissu inorganique. Le matériau ne doit donc pas être fragilisé à basses températures. Les tissus de fibres de verre, de fibres d'aramide 10 peuvent être par exemple utilisés. La deuxième partie 3 se trouve donc à l'air libre et ne se trouve pas à l'intérieur d'une quelconque enceinte assurant l'isolation de l'équipement. L'équipement revêtu des éléments 1 n'est isolé que par ces éléments. Une pluralité des éléments tels que décrits, par exemple au moins une vingtaine 15 d'éléments, sont utilisés pour isoler un équipement, de préférence en couvrant entièrement toutes les surfaces de l'équipement. Chaque élément a substantiellement la même épaisseur et les éléments sont de préférence autoportants. Le matériau isolant 15 en contact ou à proximité de la paroi froide 17 (dont la température est inférieure à la température de rosée de l'air) est également compatible avec 20 l'oxygène. L'autre partie du matériau isolant peut être de même nature (comme illustrée Figure 1) ou d'une autre (Figure 4) et qui peut être non compatible avec l'oxygène. Dans la Figure 4, le matériau isolant inorganique 15B est placé du côté de la paroi de l'équipement à isoler et le matériau isolant organique 15A est placé du côté de l'air libre. Les deux matériaux n'ont pas obligatoirement le même volume. Les isolants pulvérulents comme la perlite, la 25 vermiculite, la laine de roche ou de verre peuvent être utilisés et disposés en vrac dans l'enveloppe 3. Sinon le matériau isolant peut être au moins un corps de section rectangulaire disposé à l'intérieur de l'enveloppe de section rectangulaire. Si l'équipement à isoler est cylindrique, la surface formée par la première partie 13 de l'enveloppe sera convexe alors que la surface concave de l'enveloppe 3 sera contigüe à la 30 paroi de l'équipement 17. Dans le cas de la figure 1, la coupe est une coupe longitudinale faite avec la paroi de l'équipement verticale. Dans le cas d'un matériau isolant non structuré, afin que celui-ci ne se tasse pas en partie basse de l'élément 1, une structure alvéolaire 11 peut être réalisée. Ce cloisonnement 3034853 6 permet ainsi de maintenir en place le matériau isolant. Cette structure peut être réalisée à partir de tissus et de fils de couture. Les éléments 1 doivent comprendre des moyens les permettant de s'emboîter les uns aux autres sur leurs quatre côtés afin d'assurer une parfaite continuité de l'isolation. Dans le 5 cas illustré, chaque élément a quatre côté dentelées qui emboîtent chacune avec le côté dentelé de l'élément adjacent (Figure 2). Les côtés des matelas peuvent avoir une forme prédéfinie afin d'éviter les ponts thermiques. La mise en place lors du montage doit être relativement facile et rapide. Pour cela, un système d'accrochage 5 sur la face intérieure peut être intégré aux éléments 1. L'accrochage 10 peut se faire de diverses façons, par exemple par des crochets, de tissu à fixation avec crochet et boucle, souvent désignés par la marque VELCRO ® ou autres. Ce système permet d'attacher les éléments directement sur la paroi à isoler de 'l'équipement. Pour permettre le passage de tuyau relié à l'équipement à isoler, l'élément 1 peut comprendre une découpe semi-cylindrique 17 comme illustré à la Figure 3. Dans ce cas, 15 l'élément comprend une double enveloppe 2 composé une enveloppe extérieure 13 étanche à l'air et à l'eau et une enveloppe interne 3 qui se trouve entourée de trois côtés par l'enveloppe extérieure 13. L'enveloppe interne 3 renferme l'isolant 15. REVENDICATIONS1. Pluralité d'éléments (1) isolants thermiquement, chaque élément étant de section rectangulaire qui s'assemblent les uns aux autres afin de former un seul ensemble autour d'un équipement cylindrique ou cuboïdal à isoler et contigu avec la paroi de l'équipement (17), la longueur et la largeur de chaque élément étant inférieures au périmètre de l'équipement cylindrique divisé par 3 ou à la dimension la plus longue de l'équipement cuboïdal divisé par 3. 2. Pluralité d'éléments selon la revendication 1 dans lequel au moins un élément (1) isolant thermiquement se compose principalement d'une enveloppe fermée (2) et d'au moins un matériau isolant (15) à l'intérieur de l'enveloppe, les deux présentant des caractéristiques déformables ou souples. 3. Pluralité d'éléments selon la revendication 1 ou 2 dans lequel les éléments (1) ont chacun une face (13) destinée à être installée côté extérieur, à l'opposée à la paroi de l'équipement à isoler, constituée d'un matériau étanche à l'air et à l'eau. 4. Pluralité d'éléments selon la revendication 1 dont au moins un élément (1) est fixé à 20 la paroi de l'équipement à isoler, éventuellement au moyen d'au moins un moyen de fixation attaché à la face intérieure de l'élément. 5. Pluralité d'éléments isolants selon une des revendications précédentes dans lequel le matériau isolant (15) est disposé dans une structure alvéolaire (13) afin que celui-ci ne se 25 tasse pas en partie basse du matelas notamment lorsque le matériau isolant est non structuré. 6. Pluralité d'éléments isolants selon l'une des revendications précédentes dont au moins un élément isolant (1) ayant au moins une dimension et/ou une forme différente des autres éléments isolants, afin de s'intégrer aux différentes formes de surface et de piquages 30 existants sur les appareils à isoler. 7. Pluralité d'éléments selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins la plupart des éléments (1) sont de forme rectangulaire et chaque côté d'au moins la plupart des éléments s'emboîte avec un côté d'un autre élément. 3034853 8 8. Equipement isolé au moyen d'une pluralité d'éléments selon l'une des revendications précédentes dans lequel les éléments isolants (1) sont assemblés les uns aux autres par collage ou soudure afin d'assurer une étanchéité continue et complète de l'équipement à isoler. 9. Colonne de distillation ou échangeur de chaleur destiné à être opérée à une température subambiante, isolé(e) d'au moyen d'une pluralité d'éléments (1) selon l'une des revendications précédentes et placé(e) à l'air libre pour assurer des échanges thermiques à température subambiante. 10 10. Appareil de séparation d'air ou d'un mélange contenant principalement de l'hydrogène et du monoxyde de carbone ou d'un mélange contenant principalement du méthane et de l'azote ou du dioxyde de carbone ou d'un mélange contenant principalement du dioxyde de carbone et de l'azote, l'appareil comprenant au moins un équipement à isoler 15 choisi dans le groupe : au moins une colonne de distillation (17), au moins un séparateur de phases, au moins un échangeur de chaleur, au moins un ensemble de tuyauteries, au moins un équipement du groupe, de préférence au moins deux équipements du groupe, voire tous les équipements du groupe sont isolés au moyen d'une pluralité d'éléments (1) selon l'une des revendications 1 à 7, l'appareil ne comprenant pas de structure métallique entourant des éléments d'isolation.