Brevet FR3085003A1 — publié le 20200221

La présente invention est relative à un appareil de séparation et/ou de liquéfaction d'un mélange gazeux à une température en dessous de 0°C, par exemple la séparation à des températures cryogéniques par distillation. 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 les 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 boites froides. Cette structure métallique repose également sur une dalle en béton. Le dimensionnement de ces boites 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 boites collées les unes aux autres. Les deux plus grandes correspondent aux boîtes de la double colonne de distillation et de la colonne argon et la plus petite aux échangeurs de chaleurs. A titre d'exemple, pour un appareil de taille moyenne (1600 t/jr d'oxygène), la boite correspondant uniquement à la double colonne de distillation mesure 7 mètres par 6 mètres au sol et 56 mètres de hauteur. D'une manière générale, les éléments 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 % cylindre) qui engendrent des difficultés pour assurer une isolation correcte. Le choix d'un isolant en poudre (ex. perlite) installé dans une enveloppe (ex. structure métallique) permet de pallier ce type de problème. Le choix d'un isolant « souple » (ex. laine de roche, de verre) peut être un compromis. La laine de roche ou de verre est d'ailleurs utilisée pour l'isolation autour des appareils nécessitants une maintenance régulière comme les pompes cryogéniques. Il s'agit de « caissons » en laine de roche ou de verre. Les éléments industriels à isoler sont des colonnes, des échangeurs de chaleur, tuyauteries vannes et des machines (turbines et pompes). Les géométries 5 peuvent être de différentes formes regroupées sous trois catégories: - Formes simples : cylindres (diamètre de 1 à 6 mètres, plusieurs dizaines de mètres de haut), Parallélépipèdes (2m2 de section, 7m de long) - Formes semi-complexes ::1/2 cylindre accolé sur une surface plane, tuyauteries venant se greffer aux autres surfaces (0,2 à lm de diamètre, 10 changement de direction dans l'espace) - Elements à géométries complexes : vannes, pompes, turbine, compresseurs Le système isolant doit laisser passer les piquages d'instrumentation sortant des ces surfaces : de 5 à 50 mm de diamètre. 15 Le matériau isolant principalement utilisé dans la boîte froide est la perlite qui se présente sous la forme d'une poudre fine de couleur blanche. La taille des particules de perlite varie de 0,1 à 1 mm. Ces particules sont très volatiles et présentent une densité assez faible (60 kg/m3). La perlite est déversée dans l'espace libre entre les différents équipements industriels tels que les colonnes, 20 échangeurs et la structure métallique communément appelée boîte froide Cet espace représente un très grand volume de part sa section et de sa hauteur. Le premier risque est l'inhalation de ces particules fines à travers les voies respiratoires au moment de l'installation mais aussi en cas de fuite lors d'opérations de maintenance par exemple. Le deuxième plus grave est le risque de « noyade » en 25 cas de chute dans la perlite notamment au moment de l'installation. Ce type d'événement est à chaque fois mortelle si la personne n'est pas équipée d'un harnais et d'une corde pour être remontée rapidement par un co-équipier. Ce type d'accident mortel est encore aujourd'hui trop fréquent. 30 La boîte froide n'étant pas cloisonnée en plusieurs parties indépendantes les unes des autres, il est alors nécessaire pour effectuer localement une intervention à l'intérieur de celle-ci, de vidanger et de remplacer par la suite le volume de la perlite située au dessus de l'intervention. Ce type d'intervention est très difficile à réaliser et représente un coût important. De plus, l'utilisation de la perlite nécessite un balayage à l'azote sec à l'intérieur de la boîte froide, ceci afin d'éviter de cryopiéger l'humidité de l'air et de condenser de l'air en liquide riche en oxygène. Le cryopiégeage de l'humidité dégrade la résistance thermique de la perlite (capacité à isoler thermiquement) et la 5 condensation de l'air peut présenter un risque vis à vis de certains matériaux notamment de nature organique qui peuvent s'enflammer ou exploser de manière violente en présence d'une teneur en oxygène supérieure à celle de l'air ambiant. Or l'efficacité du système actuel 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 10 l'azote gazeux s'effectue à une seule extrémité de la boîte froide et celui-ci 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 15 où il y a beaucoup de débit d'azote et d'autres où il y en a très peu voire pas du tout. Nous savons par expérience, que des zones ne sont pas correctement balayées à l'azote gazeux ce qui se traduit même dans certains cas par l'apparition de points de givre à l'extérieur de la boîte froide. Lorsque des opérations de maintenance sont à prévoir sur des appareils plus 20 spécifiques (pompes, vannes, turbines compresseur), ces derniers sont déportés de la boîte froide et installés dans des « caissons » en laine de roche ou de verre afin de pouvoir retirer plus facilement l'isolant, tel que décrit dans EP2038596. Cependant ces caissons présentent quelques inconvénients comme celui de piéger l'humidité au sein de l'isolant à tel point que parfois lors des opérations de 25 décaissement l'isolant est complètement imbibé d'eau. De plus, pour une question de délai le décaissement est souvent réalisé alors que la température de l'isolant est encore très froide et donc complètement gelé. Il est donc assez difficile de retirer la laine de roche ou de verre qui est très compacte et durci par la glace. L'inertage préalable des caissons est inutile car l'isolant mis en place est tassé et trop compact. 30 Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation et/ou de liquéfaction d'un mélange gazeux à une température en dessous de 0°C, voire cryogénique comprenant une enceinte, un équipement devant fonctionner à la température en dessous de 0°C et un isolant thermique en poudre ou en granulés remplissant l'enceinte caractérisé en ce que l'isolant est ensaché dans une pluralité de sacs et/ ou sachets. Selon d'autres aspects facultatifs : 5 -l'appareil comprend des sacs et/ou des sachets dont certains ont une première taille et d'autres une deuxième taille. -l'appareil comprend des sacs et/ou des sachets dont certains ont une première géométrie et d'autres une deuxième géométrie. Utiliser des tailles et 10 des géométries de sacs et/ou des sachets différentes permet de remplir et occuper facilement les différents volumes entre les équipements et la boîte froide ou les caissons. -les enveloppes des sacs et/ou sachets est en tissu, de préférence inorganique. Le matériau de l'enveloppe des sacs et des sachets est 15 constitué d'un tissus de préférence inorganique de type tissus en verre par exemple afin d'être compatible oxygène (ne s'enflamme pas dans l'oxygène). -les enveloppes des sacs et/ou sachets sont étanches à l'air et/ou à l'humidité. L'enveloppe est enduite par traitement préalable d'un matériau de type Téflon ®, ou polyamide, ou PE par exemple afin d'obtenir des sacs ou 20 des sachets étanches à l'air et à l'humidité. -les sacs et/ou les sachets sont disposés en vrac dans l'enceinte. -les sacs et/ou les sachets sont fixés ensemble contre une paroi de l'enceinte ou de l'équipement. -l'équipement est une colonne de distillation, un stockage ou un échangeur 25 de chaleur. -les sacs et/ou les sachets remplissent tout l'espace libre de l'enceinte. -les sacs et/ou sachets sont munis de d'un système permettant de les assembler et de les fixer afin couvrir de grandes surfaces. -l'isolant est choisi dans le groupe : perlite, vermiculite, granulats de verre 30 -l'appareil comprend des moyens pour envoyer un gaz sec de balayage dans l'enceinte. L'objectif de l'invention est de concevoir des sacs et/ou des sachets remplis d'isolant thermique en poudre ou en granulés (de type perlite, vermiculite, granulats de verre, etc.) de manière à ne pas pouvoir être en contact direct avec l'isolant. La mise en sacs ou en sachets de l'isolant permet ainsi de supprimer les risques tels que décrits ci-dessus dont notamment le risque de « noyade ». La taille des sacs ou des sachets peuvent être plus ou moins grandes ou petites afin de pouvoir remplir et occuper facilement les différents espaces entre les 5 équipements et la boîte froide. Les tailles et/ou les géométries peuvent être panachées. L'utilisation de sacs et/ou de sachets permet également de pouvoir intervenir localement à un endroit de la boîte froide sans avoir besoin au préalable de vider complètement ou en grande partie l'isolant en poudre. En effet, il est alors possible 10 d'évider localement une zone isolée tout en maintenant en place à l'aide de renforts (planches, madriers, etc.) les sacs et/ou sachets situés au dessus de la zone d'intervention. L'enveloppe des sacs et des sachets peut être constituée d'un matériau en tissus plutôt inorganiques de type tissus en verre par exemple afin d'être compatible 15 oxygène (ne s'enflamme pas dans l'oxygène). Cette enveloppe peut également être enduite par traitement préalable d'un matériau de type Téflon ®, ou polyamide, ou PE par exemple afin d'obtenir des sacs ou des sachets étanches à l'air et à l'humidité. De cette manière, l'isolant qu'ils contiennent n'est plus sensible aux problèmes d'humidité et par conséquent de dégradation de la résistance thermique. 20 Le balayage à l'intérieur de la boîte froide peut cependant être conservé afin d'éviter le cryopiégeage et la condensation de l'air autour des sacs et des sachets. Néanmoins le volume à balayer à l'azote devient moindre. Les sacs et les sachets peuvent également remplacer l'isolant habituel des caissons et permettre ainsi une meilleure isolation dans le temps du fait de ne pas 25 piéger l'humidité à l'intérieur REVENDICATIONS1 Appareil de séparation et/ou de liquéfaction d'un mélange gazeux à une température en dessous de 0°C, voire cryogénique comprenant une enceinte, un équipement devant fonctionner à la température en dessous de 0°C et un isolant thermique en poudre ou en granulés remplissant l'enceinte caractérisé en ce que l'isolant est ensaché dans une pluralité de sacs et/ou sachets. 2 Appareil selon la revendication 1 comprenant des sacs et/ou des sachets dont certains ont une première taille et d'autres une deuxième taille. 3 Appareil selon la revendication 1 comprenant des sacs et/ou des sachets dont certains ont une première géométrie et d'autres une deuxième géométrie. 4 Appareil selon l'une des revendications précédentes dans lequel les enveloppes des sacs et/ou sachets est en tissu, de préférence inorganique. 5 Appareil selon l'une des revendications précédentes dans lequel les enveloppes des sacs et/ou sachets sont étanches à l'air et/ou à l'humidité. 6 Appareil selon l'une des revendications précédentes dans lequel les sacs et/ou les sachets sont disposés en vrac dans l'enceinte. 7 Appareil selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel les sacs et/ou les sachets sont fixés ensemble contre une paroi de l'enceinte ou de l'équipement. 8 Appareil selon l'une des revendications précédentes où l'équipement est une colonne de distillation, un stockage ou un échangeur de chaleur. 9 Appareil selon l'une des revendications précédentes où les sacs et/ou les sachets remplissent tout l'espace libre de l'enceinte. 10 Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique selon l'une des revendications précédentes.30