FR2776206A1 - Appareil de distillation et boite froide correspondante - Google Patents
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Abstract
Appareil (2) de distillation, notamment pour la séparation de constituants de l'air, comprenant au moins deux tronçons de distillation (30, 32) de forme générale cylindrique disposés l'un à côté de l'autre. Ces tronçons (30, 32) sont accolés deux à deux le long d'au moins une génératrice commune.Application aux appareils de production d'argon impur équipés de garnissages.
Description
La présente invention concerne un appareil de distillation, notamment pour la séparation de constituants de l'air, comprenant au moins deux tronçons de distillation de forme générale cylindrique disposés l'un à côté de l'autre.
L'invention s'applique en particulier aux appareils de production cryogénique d'argon impur, c'est-à-dire contenant de l'azote et par exemple pratiquement exempt d'oxygène, équipés de garnissages.
La production d'argon impur par séparation oxygène/argon nécessite un nombre important de plateaux théoriques, typiquement 150 plateaux pour produire de l'argon à environ 1 ppm d'oxygène. Selon le type de garnissage utilisé, une telle colonne de production d'argon pur peut atteindre une hauteur de l'ordre de 60 m.
De telles hauteurs posent de nombreux problèmes notamment en ce qui concerne le transport de la colonne sur site, son montage sur site, le réglage de sa verticalité sur site et enfin la tenue aux vents, aux séismes et à l'ensoleillement.
Ces problèmes se posent également pour la boîte froide correspondante, c'est-à-dire l'ensemble comprenant essentiellement cette colonne et l'enveloppe d'isolation thermique qui l'entoure.
Le document EP-A-628 277 décrit une colonne de production d'argon impur réalisée en deux tronçons disposés l'un à côté de l'autre. Une telle réalisation conduit à une structure érigée de hauteur plus réduite. Toutefois, la largeur et/ou la longueur de la colonne et/ou de la boîte froide correspondante sont relativement importantes, si bien qu'elles peuvent, par exemple, empêcher le transport sur site, après préfabrication en atelier sous forme d'un paquet, par des moyens classiques de transport.
L'invention a pour but de résoudre ce problème en fournissant un appareil de distillation permettant de réaliser des colonnes de distillation et/ou des boîtes froides particulièrement compactes.
A cet effet, l'invention a pour objet un appareil de distillation, notamment pour la séparation de constituants de l'air, comprenant au moins deux tronçons de distillation de forme générale cylindrique disposés l'un à côté de l'autre, caractérisé en ce que ces tronçons sont accolés deux à deux le long d'au moins une génératrice commune.
Selon des modes particuliers de réalisation, l'appareil peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles
- lesdits tronçons sont adaptés pour fonctionner en série et l'appareil de distillation comprend des moyens de liaison pour faire circuler des fluides entre la cuve d'un des tronçons et la tête d'un autre tronçon;
- les moyens de liaison comprennent une première conduite équipée d'une pompe pour envoyer un liquide depuis la cuve d'un des tronçons vers la tête d'un autre tronçon et une deuxième conduite pour envoyer du gaz depuis ladite tête vers ladite cuve;
- des tronçons de distillation sont disposés à l'intérieur d'une enveloppe extérieure commune qui délimite une colonne de distillation de forme générale cylindrique, et les tronçons sont disposés de manière complémentaire à l'intérieur de cette enveloppe;
- lesdits tronçons de distillation sont disposés coaxialement à l'intérieur de l'enveloppe extérieure commune;
- lesdits tronçons de distillation forment des secteurs de cylindre à l'intérieur de l'enveloppe extérieure;
- l'appareil comprend au moins trois tronçons de distillation de forme générale cylindrique accolés deux à deux le long d'au moins une génératrice commune et l'appareil comprend une virole enserrant ces tronçons;
- au moins deux desdits tronçons sont équipés de garnissages de natures différentes et/ou de densités différentes; et
- l'appareil constitue un appareil de séparation d'argon.
- lesdits tronçons sont adaptés pour fonctionner en série et l'appareil de distillation comprend des moyens de liaison pour faire circuler des fluides entre la cuve d'un des tronçons et la tête d'un autre tronçon;
- les moyens de liaison comprennent une première conduite équipée d'une pompe pour envoyer un liquide depuis la cuve d'un des tronçons vers la tête d'un autre tronçon et une deuxième conduite pour envoyer du gaz depuis ladite tête vers ladite cuve;
- des tronçons de distillation sont disposés à l'intérieur d'une enveloppe extérieure commune qui délimite une colonne de distillation de forme générale cylindrique, et les tronçons sont disposés de manière complémentaire à l'intérieur de cette enveloppe;
- lesdits tronçons de distillation sont disposés coaxialement à l'intérieur de l'enveloppe extérieure commune;
- lesdits tronçons de distillation forment des secteurs de cylindre à l'intérieur de l'enveloppe extérieure;
- l'appareil comprend au moins trois tronçons de distillation de forme générale cylindrique accolés deux à deux le long d'au moins une génératrice commune et l'appareil comprend une virole enserrant ces tronçons;
- au moins deux desdits tronçons sont équipés de garnissages de natures différentes et/ou de densités différentes; et
- l'appareil constitue un appareil de séparation d'argon.
L'invention nvention a également pour objet une boîte froide comprenant un appareil de distillation et une enveloppe d'isolation thermique entourant ledit appareil, caractérisé en ce que ledit appareil est un appareil tel que défini selon l'invention.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 est une vue en élévation, partiellement en coupe et schématique, d'un appareil de distillation selon un premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2 est une vue schématique en coupe prise suivant la ligne II-II de la figure 1,
- la figure 3 est une vue schématique analogue à la figure 1, illustrant un deuxième mode de réalisation de l'invention,
- la figure 4A est une vue en coupe prise suivant la ligne IV-IV de la figure 3,
- les figures 4B et 4C sont des vues analogues à la figure 4A illustrant des variantes du mode de réalisation de la figure 3,
- la figure 5 est une vue analogue à la figure 3 illustrant une variante de l'appareil de la figure 3,
- les figures 6 et 7 sont des vues schématiques en élévation illustrant respectivement un premier et un deuxième modes de réalisation d'une boite froide selon l'invention, et
- les figures 8 et 9 sont des vues schématiques en coupe horizontale illustrant chacune une variante d'un troisième mode de réalisation d'un appareil de distillation selon l'invention.
- la figure 1 est une vue en élévation, partiellement en coupe et schématique, d'un appareil de distillation selon un premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2 est une vue schématique en coupe prise suivant la ligne II-II de la figure 1,
- la figure 3 est une vue schématique analogue à la figure 1, illustrant un deuxième mode de réalisation de l'invention,
- la figure 4A est une vue en coupe prise suivant la ligne IV-IV de la figure 3,
- les figures 4B et 4C sont des vues analogues à la figure 4A illustrant des variantes du mode de réalisation de la figure 3,
- la figure 5 est une vue analogue à la figure 3 illustrant une variante de l'appareil de la figure 3,
- les figures 6 et 7 sont des vues schématiques en élévation illustrant respectivement un premier et un deuxième modes de réalisation d'une boite froide selon l'invention, et
- les figures 8 et 9 sont des vues schématiques en coupe horizontale illustrant chacune une variante d'un troisième mode de réalisation d'un appareil de distillation selon l'invention.
La figure 1 illustre un appareil 2 de production d'argon impur par distillation, raccordé à la colonne basse pression d'une double colonne de distillation d'air non représentée.
Cet appareil 2 comprend essentiellement une colonne 4 de forme générale cylindrique à base circulaire qui comprend elle-même une enveloppe extérieure 6 de confinement de fluide. Cette enveloppe 6 comporte une virole cylindrique 8 prolongée par un fond inférieur 10 en dôme et par un sommet 12 également en dôme.
La colonne 4 comprend une cloison interne 14 cylindrique à base circulaire et deux garnissages intérieurs 16 et 18 du type ondulé-croisé disposés à l'intérieur du volume délimité par l'enveloppe 6 et munis de moyens adéquats de distribution de liquide, non représentés.
Un tel garnissage ondulé-croisé est par exemple décrit dans le document US-A-5 262 095.
La cloison 14 est coaxiale à l'enveloppe extérieure 6. Elle s'étend depuis le fond 10 jusqu'au sommet 12 de la colonne 4 sur toute la hauteur de cette dernière, et est reliée à ceux-ci de manière étanche.
La cloison intérieure 14 délimite avec le fond 10 une première cuve 22 annulaire et une deuxième cuve 24 centrale à l'intérieur de la colonne 4.
La cloison intérieure 14 délimite avec le sommet 12 une première tête 26 annulaire et une deuxième tête 28 centrale à l'intérieur de la colonne 4.
Le premier garnissage 16 est disposé dans le volume délimité entre la cloison intérieure 14 et la virole 8 4 de l'enveloppe 6, sur une grande partie de la hauteur de cette virole.
Le deuxième garnissage 18 est disposé dans le volume délimité intérieurement par la cloison intérieure 14.
Ce garnissage s'étend sur une grande partie de la hauteur de la virole.
L'enveloppe extérieure 6, la cloison intérieure 14, le premier garnissage 16, la première cuve 22 et la première tête 26 forment un premier tronçon de distillation cryogénique 30.
La cloison intérieure 14, le deuxième garnissage 18, la deuxième cuve 24 et la deuxième tête 28 forment un deuxième tronçon de distillation cryogénique 32. Les deux tronçons 30 et 32 sont accolés le long de la paroi 14.
L'appareil 2 comprend en outre un condenseur de tête 34 disposé dans la tête 28 du deuxième tronçon 32 et une pompe 36.
Les premier et deuxième tronçons 30 et 32 sont disposés structurellement parallèlement et sont adaptés pour fonctionner en série, comme décrit ci-dessous.
Une conduite 38, dite de piquage argon, prélève en un niveau intermédiaire de la colonne basse pression (non représentée) de la double colonne un mélange gazeux qui est envoyé dans la première cuve 22. Une conduite 40 de retour de liquide relie le fond de la première cuve 22 à la colonne basse pression, sensiblement au niveau de prélèvement du mélange gazeux.
Le gaz de la tête 26 du premier tronçon 30, enrichi en argon, est renvoyé directement par une conduite 42 vers la cuve 24 du deuxième tronçon 32. De plus, une conduite 44 munie de la pompe 36 permet de renvoyer directement du liquide depuis la cuve 24 du deuxième tronçon 32 vers la tête 26 du premier tronçon 30.
Du liquide riche , > (air enrichi en oxygène) LR, prélevé en cuve de la colonne moyenne pression de la double colonne, est envoyé via une conduite 46 dans le condenseur 34, où il est vaporisé en assurant le reflux dans le deuxième tronçon 32 et donc dans l'appareil 2 de distillation. Le liquide LR ainsi vaporisé est renvoyé par une conduite 47 vers un niveau intermédiaire de la colonne basse pression de la double colonne de distillation d'air.
Une conduite 48 permet de prélever de l'argon impur en tête du deuxième tronçon 32 et, éventuellement, de l'envoyer ensuite vers une colonne de désazotation pour produire de l'argon pur.
La colonne 4 de l'appareil 2 est de dimension relativement réduite.
En effet, à capacité égale sa hauteur est environ deux fois plus faible que celle d'une colonne de production d'argon impur classique réalisée en un seul tronçon.
Le rayon d'une colonne 4 telle que celle de la figure 1, de même capacité qu'une colonne de production d'argon impur réalisée en deux tronçons de même rayon R que le tronçon intérieur 32, disposés l'un à côté de l'autre comme décrit dans le document EP-A-628 277, est d'environ R42. On conçoit donc qu'une boite froide contenant l'appareil 2 de la figure 1 permettra de respecter plus facilement les gabarits de moyens de transport qu'une boîte froide contenant une colonne de production d'argon impur réalisée en deux tronçons disposés l'un à côté de l'autre.
De plus, l'épaisseur de la paroi intérieure 14 le long de laquelle les deux tronçons 30 et 32 sont accolés peut être relativement faible, puisque, d'une part, les pressions régnant de part et d'autre de cette paroi 14 sont sensiblement les mêmes et, d'autre part, les différences de températures régnant de part et d'autre de cette paroi 14, notamment au niveau du fond 10 de la colonne 4, sont relativement faibles.
Dans des variantes non représentées, les garnissages 16 et 18 sont de natures différentes et/ou de densités différentes.
D'autres dispositions relatives des deux tronçons 30 et 32 sont également possibles comme illustré par les figures 3 à 4C.
L'appareil 2 illustré par les figures 3 et 4A se distingue essentiellement de celui des figures 1 et 2 par ce qui suit.
La cloison intérieure 14 est une cloison diamétrale par rapport à l'enveloppe extérieure 6. Cette cloison 14 divise donc la colonne 4 en deux secteurs de cylindre à base circulaire d'angles au centre de 1800, c'est-à-dire des demi-cylindres à base circulaire correspondant respectivement au premier tronçon 30 et au deuxième tronçon 32.
Selon une variante non représentée, la cloison 14 est une paroi plane non diamètrale mais parallèle à l'axe de la colonne 4.
La figure 4B illustre un appareil selon une variante du mode de réalisation des figures 3 et 4A, se distinguant de ce dernier par ce qui suit.
La colonne 4 de l'appareil 2 de la figure 4B comprend deux cloisons internes diamétrales 14A et 14B, sensiblement orthogonales entre elles, qui divisent donc la colonne 4 en quatre secteurs de cylindre à base circulaire, sensiblement identiques et d'angles au centre de 900. Ces quatre secteurs de cylindre correspondent chacun à un tron çon 50 de distillation cryogénique, 52, 54, 56. Ces quatre tronçons sont accolés deux à deux le long des cloisons 14A et 14B et sont destinés à fonctionner en série, au moyen de conduites de liaison et de pompes analogues à ce qui a été décrit plus haut.
La figure 4C illustre un appareil selon une autre variante du mode de réalisation 2 des figures 3 et 4A, se distinguant de ce dernier en ce que la colonne 4 comprend trois cloisons intérieures 14A, 14B et 14C rayonnantes, disposées angulairement sensiblement à 1200 l'une de l'autre.
Ces cloisons intérieures 14A, 14B et 14C divisent donc la colonne 4 en trois secteurs de cylindre à base circulaire, sensiblement identiques et d'angles au centre de 1200. Ces trois secteurs correspondent chacun à un tronçon 50, 52, 54.
Ces trois tronçons sont accolés deux à deux le long des parois 14A, 14B et 14C et sont destinés à fonctionner en série.
De manière plus générale, les tronçons de distillation de l'appareil 2 sont disposés de manière complémentaire en vue de dessus dans l'enveloppe 6, c'est-à-dire que, en section transversale, la somme de leurs aires est sensiblement égale à celle de l'enveloppe.
Selon une variante illustrée schématiquement par la figure 5, l'appareil 2 comprend un réservoir 56, de forme générale cylindrique à base circulaire et qui prolonge l'extrémité inférieure de la colonne 4. Ce réservoir peut être un réservoir de stockage d'argon pur produit par une colonne de désazotation (non représentée) reliée à la conduite 48 de l'appareil 2. Le réservoir 56 est alimenté en argon liquide pur prélevé en cuve de la colonne de désazotation et canalisé par une conduite 560. Une conduite 561 permet de soutirer l'argon pur liquide depuis le réservoir 56.
La figure 6 illustre une boîte froide 58 comprenant un appareil 2 de production d'argon impur identique à celui illustré par les figures 3 et 4A, une double colonne de distillation 60, une ligne principale d'échange thermique 62 pour refroidir l'air à distiller, et une enveloppe 64 d'isolation thermique commune entourant tous ces éléments.
La double colonne de distillation comprend une colonne moyenne pression 66, une colonne basse pression 68 et un vaporiseur-condenseur 70 mettant les fluides de la tête de la colonne moyenne pression 66 et de la cuve de la colonne basse pression 68 en relation d'échange thermique. Le vaporiseur-condenseur 70 surmonte la colonne moyenne pression 66. Les colonnes 4, 66 et 68 et la ligne d'échange thermique 62 sont disposées l'une à côté de l'autre.
Les diamètres des colonnes 4 et 68 sont sensiblement du même ordre de grandeur. Grâce à la structure de l'appareil 2, les colonnes 4 et 68 ont une hauteur du même ordre, par exemple de l'ordre de 30 m.
La figure 7 illustre un deuxième mode de réalisation d'une boite froide 58 selon l'invention, se distinguant de celui illustré par la figure 6 par ce qui suit.
La colonne 4 de production d'argon impur est identique à celle illustrée par la figure 4B. A capacité égale, la hauteur de la colonne 4 de la figure 7 est donc environ deux fois plus réduite que celle de la colonne 4 de la figure 6. La colonne 4 surmonte le vaporiseur-condenseur 70.
La hauteur relativement réduite de la colonne 4 permet de réduire la hauteur de l'empilement constitué par la colonne moyenne pression 66, le vaporiseur-condenseur 70 et la colonne 4 et donc de limiter les problèmes liés aux structures érigées de grande hauteur.
La figure 8 illustre un troisième mode de réalisation d'un appareil 2 de distillation selon l'invention. Cet appareil 2 de production d'argon impur comprend quatre tron çons de distillation cryogénique 74, 76, 78 et 80 de forme générale cylindrique à base sensiblement circulaire.
Les tronçons 74, 76, 78 et 80, sensiblement de même diamètre, sont disposés les uns à côté des autres et accolés deux à deux essentiellement le long de génératrices communes G. Les centres de ces quatre tronçons (matérialisés par des croix) forment sensiblement un carré. Ces quatre tronçons 74, 76, 78 et 80 sont enserrés par une virole 82 à base circulaire, de sorte que ces tronçons sont inscrits dans cette dernière. Comme précédemment, les tronçons 74 à 80 sont reliés de manière à fonctionner en série.
Cette disposition permet d'accroître la compacité de l'appareil 2 et donc d'une boîte froide le contenant.
Ainsi, une telle boîte froide peut être plus aisément préfa briquée en atelier sous forme d'un paquet à transporter sur site.
La figure 9 illustre une variante de ce troisième mode de réalisation, où l'appareil 2 comprend trois tronçons de distillation 74, 76 et 78 à base circulaire enserrés par la virole 82. Les centres de ces trois tronçons (matérialisés par des croix) forment sensiblement un triangle, et ces tronçons sont inscrits dans la virole 82.
Claims (10)
1. Appareil (2) de distillation, notamment pour la séparation de constituants de l'air, comprenant au moins deux tronçons de distillation de forme générale cylindrique disposés l'un à côté de l'autre, caractérisé en ce que ces tronçons sont accolés deux à deux le long d'au moins une génératrice commune.
2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits tronçons sont adaptés pour fonctionner en série et en ce que l'appareil (2) de distillation comprend des moyens de liaison pour faire circuler des fluides entre la cuve d'un des tronçons et la tête d'un autre tronçon.
3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de liaison comprennent une première conduite (44) équipée d'une pompe (36) pour envoyer un liquide depuis la cuve (24) d'un des tronçons (32) vers la tête (26) d'un autre tronçon (30) et une deuxième conduite (42) pour envoyer du gaz depuis ladite tête (26) vers ladite cuve (24).
4. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que des tronçons de distillation (30, 32; 50, 52, 54, 56; 74, 76, 78, 80) sont disposés à l'intérieur d'une enveloppe extérieure commune (6) qui délimite une colonne de distillation (4) de forme générale cylindrique, et en ce que ces tronçons sont disposés de manière complémentaire à l'intérieur de cette enveloppe.
5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits tronçons de distillation (30, 32) sont disposés coaxialement à l'intérieur de l'enveloppe extérieure commune (6)(figures 1 et 2).
6. Appareil selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que lesdits tronçons de distillation (30, 32 ; 50, 52, 54, 56) forment des secteurs de cylindre à l'intérieur de l'enveloppe extérieure commune (figures 3, 4A à 4C et 5).
7. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'appareil comprend au moins trois tronçons de distillation (74, 76, 78, 80) de forme générale cylindrique accolés deux à deux le long d'au moins une génératrice commune (G) et en ce que l'appareil comprend une virole (82) enserrant ces tronçons (figures 8 et 9).
8. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'au moins deux desdits tronçons (30, 32) sont équipés de garnissages (16, 18) de natures différentes et/ou de densités différentes.
9. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il constitue un appareil de séparation d'argon.
10. Boîte froide (58) comprenant un appareil (2) de distillation et une enveloppe d'isolation thermique (64) entourant ledit appareil, caractérisé en ce que ledit appareil est un appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
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