FR3052242A1 - Element de construction d’un appareil d’echange de masse et/ou de chaleur, assemblage de deux elements et procede d’echange utilisant un assemblage - Google Patents

Element de construction d’un appareil d’echange de masse et/ou de chaleur, assemblage de deux elements et procede d’echange utilisant un assemblage Download PDF

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Abstract

Un élément modulaire empilable (10) comprend un caisson parallélépipédique (2), le caisson contenant au moins une couche d'isolant thermique (3) d'épaisseur inférieure à un tiers de largeur du caisson, la couche d'isolant revêtant au moins les faces latérales et frontales du caisson et entourant au moins une chambre (4) à volume parallélépipédique à l'intérieur du caisson, la chambre contenant au moins un corps de matière permettant l'échange de masse et/ou de chaleur, le corps étant de forme parallélépipédique et remplissant au moins une partie de la chambre, la chambre présentant une ouverture sur la face supérieure et/ou une ouverture sur la face inférieure pour permettre le transfert de fluide vers le corps depuis l'extérieur de l'élément et/ou du corps vers l'extérieur de l'élément.

Description

La présente invention est relative à un élément modulaire de construction d’un appareil d’échange de masse et/ou de chaleur, un assemblage d’au moins deux tels éléments modulaires et un procédé d’échange de masse et/ou de chaleur avec un tel assemblage. L’invention est également relative à un appareil constitué au moins partiellement par un tel assemblage d’au moins deux tels éléments modulaires.
La présente invention est en particulier relative à un appareil de distillation cryogénique, tel qu’une séparation d’air, constitué au moins partiellement par un assemblage d’éléments modulaires selon l’invention et à un procédé de modification d’un tel appareil.
Par contre, l’invention s’applique également à d’autres appareils d’échange de masse et/ou de chaleur, tels qu’un échangeur de chaleur, un appareil d’épuration par adsorption ou une colonne de distillation. L’appareil selon l’invention peut être installée et mise en service rapidement. Une fois installée, il est facile d’augmenter ou de réduire sa capacité et/ou son efficacité énergétique. Sa maintenance est moins compliquée et si nécessaire, il est facile de le déménager. De plus, il est aisé de modifier l’appareil selon l’invention en modifiant sa capacité et/ou les teneurs des produits qu’il doit produire. On peut également rajouter ou supprimer un produit.
Actuellement un appareil de séparation d’air peut être composé d’une pluralité de paquets, chacun contenant un équipement entier de l’appareil, par exemple la totalité d’une colonne, la totalité d’un échangeur de chaleur, la totalité d’une unité d’adsorption pour épuration en tête de l’air. Les dimensions de chaque paquet sont déterminées par l’équipement qu’il doit contenir et donc les paquets ont tous des dimensions différentes. La plupart des paquets sont posés directement sur le sol.
Il a été proposé de disposer des équipements de l’appareil de séparation d’air dans des paquets, par exemple des conteneurs, chacun contenant un équipement entier. L’assemblage de paquets hétérogènes contenant chacun un équipement nécessite un effort humain important pour le montage (soudure, câblage, ...), mais aussi pour le démarrage (vérification, test).
Il est connu de US-A-4872955 et de US-A-3281334 de fabriquer une colonne de distillation en plusieurs morceaux à empiler.
Dans le cas d’une distillation n’opérant pas à la température ambiante, par exemple une distillation cryogénique, une fois la colonne assemblée, il est nécessaire de construire une enceinte autour de la colonne et de la remplir de matériau isolant.
Il est également connu de EP-A-913653 de placer une première colonne de distillation opérant à une pression dans l’enceinte isolante et de disposer une autre colonne de distillation opérant à une autre pression dans une autre enceinte isolante au-dessus de la première colonne. Cette construction nécessite l’usage d’une grue et l’assemblage des deux enceintes est compliqué.
Un but de l’invention est de faciliter la configuration d’un appareil de traitement d’un gaz, par exemple un gaz résiduaire d’un procédé industriel ou un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique ou une partie d’un tel appareil. Ainsi l’appareil peut être construit plus rapidement et avec de la main d’œuvre peu qualifiée. De plus un élément modulaire contenant un élément défaillant peut être remplacé facilement sans avoir besoin de remplacer l’équipement entier.
Selon un objet de l’invention, il est prévu un élément modulaire empilable de construction d’un appareil d’échange de masse et/ou de chaleur comprenant un caisson parallélépipédique ayant une longueur, une largeur et une hauteur, le caisson ayant une face supérieure et une face inférieure opposées horizontales, deux faces frontales opposées verticales ainsi que deux faces latérales opposées verticales, les faces supérieure et inférieure du caisson étant définies par la longueur et la largeur du caisson, les deux faces frontales du caisson par la longueur et la hauteur du caisson et les deux faces latérales du caisson par la largeur et la hauteur du caisson , le caisson contenant au moins une couche d’isolant thermique d’épaisseur inférieure à un tiers de largeur du caisson, la couche d’isolant revêtant au moins les faces latérales et frontales du caisson et éventuellement les faces supérieure et inférieure et entourant au moins une chambre à volume parallélépipédique à l’intérieur du caisson, la au moins une chambre ayant une longueur, une largeur et une hauteur, la chambre ayant une face supérieure et une face inférieure opposées horizontales, la face supérieure et/ou la face inférieure de la chambre étant au moins partiellement ouvertes, deux faces frontales opposées verticales ainsi que deux faces latérales opposées verticales, les faces supérieure et inférieure de la chambre étant définies par la longueur et la largeur de la chambre, les deux faces frontales de la chambre par la longueur et la hauteur de la chambre et les deux faces latérales de la chambre par la largeur et la hauteur de la chambre, la chambre contenant au moins un corps de matière permettant l’échange de masse et/ou de chaleur, le corps étant de forme parallélépipédique et remplissant au moins une partie de la chambre , la chambre présentant une ouverture sur la face supérieure et/ou une ouverture sur la face inférieure et communicant avec une ouverture dans la face supérieure du caisson et/ou une ouverture dans la face inférieure du caisson respectivement pour permettre le transfert de fluide vers le corps depuis l’extérieur de l’élément et/ou du corps vers l’extérieur de l’élément.
Selon d’autres aspects facultatifs : - l’au moins un corps remplit au moins une partie de la chambre à l’intérieur du caisson et i) un autre corps permettant l’échange de masse et/ou de chaleur remplit une autre partie, voire le reste, de la chambre ou une autre chambre et/ou ii) au moins une conduite de transfert de matière traverse l’autre partie, voire le reste de la chambre ou une autre chambre, pour permettre la matière de traverser le caisson ou ni) l’autre partie, voire le reste de la chambre ou l’autre chambre constitue un moyen permettant le transfert de matière à travers le caisson.
Selon d’autres aspects facultatifs : - la hauteur de l’élément est inférieure à la longueur de l’élément, voire inférieure ou égale à la largeur de l’élément. - la hauteur du corps est égale à au moins la moitié de la hauteur de l’élément, sinon égale à la hauteur de l’élément. - au moins un corps est un corps de matériel adsorbant. - au moins un corps est constitué par une pile de plaques métalliques orientées verticalement, les plaques étant séparées par des ailettes. - au moins un corps est constitué par une pile de plaques ondulées orientées verticalement, les ondulations étant orientés à un angle entre 10° et 80° avec l’horizontale. - une gamme de tailles d’élément ayant été prédéfinie, les dimensions de l’élément modulaire sont choisies pour correspondre à une taille d’élément appartenant à la gamme. - la chambre est ouverte sur la face supérieure et la face inférieure du caisson et la hauteur de la chambre est substantiellement égale à la hauteur du caisson. - la chambre est ouverte sur la face supérieure ou la face inférieure du caisson et fermée sur la face opposée de celui-ci. - au moins une des faces verticales du caisson est réalisée sous la forme d’une surface plane. - au moins la face supérieure et/ou la face inférieure du caisson comprend des moyens de liaison pour réaliser une liaison entre éléments voisins. - la au moins une chambre a une section horizontale de forme sensiblement carrée, rectangle ou circulaire. - la chambre a une section horizontale uniforme sur toute la hauteur de la chambre. - la chambre est plus proche d’une paroi latérale du caisson que de la paroi latérale opposée du caisson. - le caisson est en métal, de préférence en aluminium ou en acier inoxydable ou en acier carbone ou en Invar. - les parois de la au moins une chambre sont en métal, de préférence en aluminium ou en acier inoxydable ou en Invar. - l’élément est autoportant. - l’élément a une longueur entre 3 et 30 mètres - l’élément a une hauteur entre 1 et 5 mètres - l’élément a une largeur entre 1 et 5 mètres - l’épaisseur de la couche d’isolation est inférieure à 500mm, ou inférieure à 300mm, ou inférieure à 150mm, voire 100 mm. - le volume de la chambre ou des chambres constitue au moins 30% du volume de l’élément. - l’élément comprend quatre poutres verticales reliant la face supérieure du caisson à la face inférieure du caisson par les coins, de sorte que les efforts mécaniques transitent par les coins de ces faces. - le caisson est constitué par un conteneur normalisé, de préférence ayant des coins normalisés, par exemple selon la norme ISO 668 - une ouverture dans la face supérieure de la chambre communique avec une ouverture dans la face supérieure du caisson, les deux ouvertures ayant substantiellement les mêmes dimensions. - une ouverture dans la face inférieure de la chambre communique avec une ouverture dans la face inférieure du caisson, les deux ouvertures ayant substantiellement les mêmes dimensions. - l’ouverture dans la face inférieure et/ou la face supérieure du caisson occupe au moins 20% de la surface de la face respective du caisson. - l’ouverture dans la face inférieure et/ou la face supérieure de la chambre occupe au moins 20% de la surface de la face respective de la chambre, de préférence toute la surface de la face respective de la chambre.
Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu un assemblage d’au moins un premier et un deuxième éléments modulaires superposés l’un sur l’autre et en contact l’un avec l’autre, les premier et deuxième éléments étant tels que décrit ci-dessus , les éléments étant disposés de sorte qu’au moins un corps du premier élément est disposé au-dessus d’au moins un corps du deuxième élément, le corps du premier élément et le corps du deuxième élément au-dessus duquel il est disposé étant tous deux constitués de i) matériel adsorbant ou ii) une pile de plaques métalliques orientées verticalement, les plaques étant séparées par des ailettes ou iii) une pile de plaques ondulées orientées verticalement, les ondulations étant orientés à un angle entre 10° et 80° avec l’horizontale et l’élément modulaire du premier élément a la même longueur et largeur que celui du deuxième élément
De préférence le caisson du premier élément a la même longueur et largeur que celui du deuxième élément.
De préférence la chambre du premier élément a la même longueur et largeur que celle du deuxième élément.
De préférence les points centraux des chambres de premier élément et du deuxième élément se trouvent sur un axe vertical commun.
De préférence le corps du premier élément a la même longueur et largeur que celui du deuxième élément.
Selon d’autres aspects facultatifs de l’invention : - l’au moins une conduite de transfert de matière traverse l’autre partie, voire le reste de la chambre ou une autre chambre, pour permettre la matière de traverser le caisson du premier élément et/ou l’autre partie, voire le reste de la chambre ou l’autre chambre constitue un moyen permettant le transfert de matière à travers le caisson du premier élément. - l’au moins une conduite de transfert de matière traverse l’autre partie, voire le reste de la chambre ou une autre chambre, pour permettre la matière de traverser le caisson du deuxième élément et/ou l’autre partie, voire le reste de la chambre ou l’autre chambre constitue un moyen permettant le transfert de matière à travers le caisson du deuxième élément. - la conduite de transfert de matière du premier élément est reliée au moyen de transfert de matière du deuxième élément , ce moyen pouvant être la conduite de transfert de matière du deuxième élément, voire une partie de la chambre ou une autre chambre du deuxième élément - l’autre partie, voire le reste de la chambre ou l’autre chambre du premier élément est reliée au moyen de transfert de matière du deuxième élément, ce moyen pouvant être la conduite de transfert de matière du deuxième élément, voire une partie de la chambre ou une autre chambre du deuxième élément - la conduite de transfert de matière du premier élément est la conduite de transfert du deuxième élément - une conduite de transfert de matière traverse les premier et deuxième éléments, voire la plupart de, voire tous les éléments de l’assemblage - l’assemblage comprend au moins un moyen de faire circuler au moins un fluide ou de l’électricité d’un élément à un autre en passant par au moins une conduite, pouvant être une câble, ou une chambre de chaque élément - les éléments sont fixés l’un à l’autre en reliant les bords inférieurs des quatre parois latérales et frontales du caisson du premier élément aux bords supérieurs des quatre parois latérales et frontales du caisson du deuxième élément, par soudage et/ou adhésion utilisant un joint et/ou un adhésif et/ou un rattachement mécanique, avec l’usage éventuel d’un joint, préférentiellement uniquement par les coins, l’assemblage ainsi réalisé assurant éventuellement une étanchéité. - l’assemblage comprend un troisième élément en contact avec le premier ou le deuxième élément, le troisième élément étant parallélépipédique ayant une longueur, une largeur et une hauteur, le troisième élément ayant une face supérieure et une face inférieure opposées horizontales, deux faces frontales opposées Verticales ainsi que deux faces latérales opposées verticales, les faces supérieure et inférieure du troisième élément étant définies par la longueur et la largeur du élément modulaire, les deux faces frontales du élément modulaire par la longueur et la hauteur du troisième élément et les deux faces latérales du élément modulaire par la largeur et la hauteur du troisième élément, le troisième élément ne contenant aucun élément permettant l’échange de matière tel que décrit ci-dessus mais contenant au moins un câble et/ou au moins une conduite pour transférer de l’électricité ou un fluide du premier ou du deuxième élément.
Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu un appareil de traitement d’un gaz, par exemple un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique dans lequel : i) une unité d’épuration du gaz, par exemple de l’air est au moins partiellement constituée par un assemblage d’au moins deux éléments tels que décrits ci-dessus, l’adsorbant est capable d’adsorber de l’eau et/ou du dioxyde de carbone et/ou une partie des impuretés secondaires de l’air, l’assemblage comprenant des moyens pour y envoyer du gaz, par exemple de l’air, à épurer en eau et/ou en dioxyde de carbone reliés à un élément de l’assemblage et des moyens pour prélever du gaz épuré d’un autre élément de l’assemblage et/ou ii) un échangeur de chaleur est au moins partiellement constitué par un assemblage d’au moins deux éléments tels que décrits ci-dessus, l’assemblage comprenant des moyens pour envoyer un gaz, par exemple de l’air ou un gaz de l’air, à un élément de l’assemblage et des moyens pour prélever le gaz à une température plus chaude ou plus froide d’un autre élément de l’assemblage et/ou iii) une colonne de distillation est au moins partiellement constituée par un assemblage d’au moins deux éléments tel que décrits ci-dessus, l’assemblage comprenant des moyens pour y envoyer un gaz, par exemple de l’air ou un gaz de l’air, reliés à un élément de l’assemblage et des moyens pour prélever un gaz épuré ou enrichi en un composant du gaz d’un autre élément de l’assemblage.
Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu un procédé d’échange de masse et/ou de chaleur dans un assemblage ou un appareil tel que décrit ci-dessus dans lequel on introduit au moins un premier fluide dans le corps d’un élément d’un assemblage et on retire un deuxième fluide dérivé du premier fluide du corps d’un autre élément de l’assemblage.
De préférence l’échange de masse et/ou de chaleur s’opère à une pression de moins de 2 bars, de préférence à une pression au plus égale à 400 mbars au-dessus de la pression atmosphérique.
Selon la présente invention, au moins certaines parties fonctionnelles de l’appareil de traitement d’un gaz, par exemple un appareil de séparation d’air, sont constitués au moins partiellement, de préférence entièrement, par des éléments modulaires. L’appareil entier peut être composé d’éléments modulaires.
Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un assemblage d’au moins un premier, un deuxième et un troisième éléments modulaires empilables de construction d’un appareil d’échange de masse et/ou de chaleur, chacun des premier et deuxième éléments comprenant un caisson parallélépipédique ayant une longueur, une largeur et une hauteur, le caisson ayant une face supérieure et une face inférieure opposées horizontales, deux faces frontales opposées verticales ainsi que deux faces latérales opposées verticales, les faces supérieure et inférieure du caisson étant définies par la longueur et la largeur du caisson, les deux faces frontales du caisson par la longueur et la hauteur du caisson et les deux faces latérales du caisson par la largeur et la hauteur du caisson , le caisson contenant au moins une couche d’isolant thermique d’épaisseur inférieure à un tiers de largeur du caisson, la couche d’isolant revêtant au moins les faces latérales et frontales du caisson et éventuellement les faces supérieure et inférieure entourant au moins une chambre à volume parallélépipédique à l’intérieur du caisson, la au moins une chambre ayant une longueur, une largeur et une hauteur, la chambre ayant une face supérieure et une face inférieure opposées horizontales, la face supérieure et/ou la face inférieure de la chambre étant au moins partiellement ouvertes, deux faces frontales opposées verticales ainsi que deux faces latérales opposées verticales, les faces supérieure et inférieure de la chambre étant définies par la longueur et la largeur de la chambre, les deux faces frontales de la chambre par la longueur et la hauteur de la chambre et les deux faces latérales de la chambre par la largeur et la hauteur de la chambre, la chambre contenant au moins un corps de matière permettant l’échange de masse et/ou de chaleur, le corps étant de forme parallélépipédique et remplissant au moins une partie de la chambre , le premier et deuxième éléments ayant chacun la chambre présentant une ouverture sur la face supérieure communicant avec une ouverture dans la face supérieure du caisson et une ouverture sur la face inférieure communiquant avec une ouverture dans la face inférieure du caisson respectivement pour permettre le transfert de fluide vers le corps depuis l’extérieur de l’élément et/ou du corps vers l’extérieur de l’élément et le troisième élément comprenant un caisson parallélépipédique ayant une longueur, une largeur et une hauteur, le caisson ayant une face supérieure et une face inférieure opposées horizontales, deux faces frontales opposées verticales ainsi que deux faces latérales opposées verticales, les faces supérieure et inférieure du caisson étant définies par la longueur et la largeur du caisson, les deux faces frontales du caisson par la longueur et la hauteur du caisson et les deux faces latérales du caisson par la largeur et la hauteur du caisson, le premier et le deuxième éléments sont disposés sur le troisième élément ou en dessous du troisième élément, en contact avec celui-ci, le troisième élément comprenant au moins une première ouverture pour permettre le transfert de fluide depuis/vers la chambre d’au moins un premier élément et au moins une deuxième ouverture pour permettre le transfert de fluide vers/depuis la chambre d’au moins un deuxième élément, i) au moins une (la) première et au moins une (la) deuxième ouverture se trouvant dans la face supérieure ou au moins une (la) première et au moins une (la) deuxième ouverture se trouvant dans la face inférieure du troisième élément ou ii) au moins une (la) première ouverture se trouvant dans la face supérieure et au moins une (la) deuxième ouverture se trouvant dans la face inférieure du troisième élément.
Selon d’autres aspects facultatifs : - l’au moins un corps remplit au moins une partie de la chambre à l’intérieur du caisson du premier et/ou deuxième élément et i) un autre corps permettant l’échange de masse et/ou de chaleur remplit une autre partie, voire le reste, de la chambre ou une autre chambre et/ou ii) au moins une conduite de transfert de matière traverse l’autre partie, voire le reste de la chambre ou une autre chambre, pour permettre la matière de traverser le caisson ou iii) l’autre partie, voire le reste de la chambre ou une autre chambre constitue un moyen permettant le transfert de matière à travers le caisson. - éventuellement i) au moins un corps est un corps de matériel adsorbant et/ou ii) au moins un corps est constitué par une pile de plaques métalliques orientées verticalement, les plaques étant séparées par des ailettes et/ou iii) au moins un corps est constitué par une pile de plaques ondulées orientées verticalement, les ondulations étant orientés à un angle entre 10° et 80° avec l’horizontale. - le premier élément contient un corps tel que décrit dans la variante i) ou ii) ou iii) ci-dessus et le deuxième élément contient un corps tel que décrit dans la variante i) ou ii) ou iii) de ci-dessus. - le troisième élément ne contient aucun corps tel que décrit dans variantes i), ii) ou iii) ci-dessus. - le premier élément a la même longueur et/ou largeur et/ou hauteur que le deuxième élément. - les premier, deuxième et troisième éléments sont disposés avec leurs longueurs disposées dans le même sens. - la somme des longueurs des premier et deuxième éléments est inférieure à, égale à ou supérieure à la longueur du troisième élément. - les premier et deuxième éléments sont disposés avec leurs longueurs disposées dans le même sens et le troisième élément est disposé avec sa longueur perpendiculaire aux longueurs des premier et deuxième éléments. - la somme des largeurs des premier et deuxième éléments est sensiblement égale à la longueur du troisième élément. - n troisièmes éléments sont disposés en dessous de ou au dessus du premier et du deuxième élément, chaque troisième élément étant en contact avec le premier et le deuxième élément et chacun des premier et deuxième éléments comprenant n ouvertures pour permettre le transfert de fluide depuis/ vers chacun des troisième éléments. - la longueur du premier et/ou du deuxième élément est sensiblement égale à la somme des largeurs des troisièmes éléments, de préférence chaque troisième élément ayant la même largeur et la longueur du premier et/ou du deuxième élément étant sensiblement égale à n fois la largeur d’un troisième élément. - le troisième élément a une hauteur plus grande ou plus petite que la hauteur du premier et/ou deuxième élément. - le troisième élément est en dessous des premier et deuxième éléments - le troisième élément est fixé au sol. - le caisson du troisième élément contient au moins une couche d’isolant thermique d’épaisseur inférieure à un tiers de largeur du caisson, la couche d’isolant revêtant au moins les faces latérales et frontales du caisson et éventuellement les faces supérieure et inférieure entourant au moins une chambre à volume parallélépipédique à l’intérieur du caisson, - le troisième élément contient au moins une chambre ayant une longueur, une largeur et une hauteur, la chambre ayant une face supérieure et une face inférieure opposées horizontales, la face supérieure et/ou la face inférieure de la chambre étant au moins partiellement ouverte(s), deux faces frontales opposées verticales ainsi que deux faces latérales opposées verticales, les faces supérieure et inférieure de la chambre étant définies par la longueur et la largeur de la chambre, les deux faces frontales de la chambre par la longueur et la hauteur de la chambre et les deux faces latérales de la chambre par la largeur et la hauteur de la chambre, - une chambre du troisième élément contient au moins un corps de matière permettant l’échange de masse et/ou de chaleur, le corps étant de forme parallélépipédique et remplissant au moins une partie de la chambre , le premier et deuxième éléments ayant chacun la chambre présentant une ouverture sur la face supérieure communicant avec une ouverture dans la face supérieure du caisson et une ouverture sur la face inférieure communiquant avec une ouverture dans la face inférieure du caisson respectivement pour permettre le transfert de fluide vers le corps depuis l’extérieur de l’élément et/ou du corps vers l’extérieur de l’élément - le troisième élément contient des moyens pour transférer au moins un fluide du premier élément vers le deuxième élément et/ou du deuxième élément vers le premier élément. - le troisième élément contient au moins une conduite et/ou au moins une gaine, dont une extrémité est reliée à au moins un corps et/ou au moins une conduite de transfert du premier élément et l’autre extrémité est reliée à au moins un corps et/ou au moins une conduite de transfert du deuxième élément. - l’au moins une conduite et/ou l’au moins une gaine est revêtue d’isolation - l’au moins une conduite et/ou l’au moins une gaine est revêtue d’isolation est disposée dans de l’isolation qui remplit l’espace à l’intérieur du troisième élément - au moins les faces frontales et latérales du troisième élément sont revêtues d’une couche d’isolant - le troisième élément contient des moyens de commande et/ou de contrôle et/ou d’analyse et/ou d’instrumentation et/ou de fourniture d’utilités. - le caisson du troisième élément contient sur au moins une face au moins une couche d’isolant thermique d’épaisseur au moins éventuellement inférieure à un tiers de largeur du caisson. - le premier et/ou deuxième élément constitue l’élément inférieur ou supérieur d’une pile d’éléments, chaque élément de la pile comprenant un caisson parallélépipédique ayant une longueur, une largeur et une hauteur, le caisson ayant une face supérieure et une face inférieure opposées horizontales, deux faces frontales opposées verticales ainsi que deux faces latérales opposées verticales, les faces supérieure et inférieure du caisson étant définies par la longueur et la largeur du caisson, les deux faces frontales du caisson par la longueur et la hauteur du caisson et les deux faces latérales du caisson par la largeur et la hauteur du caisson. - au moins un élément de la pile est un élément de support ne comprenant pas d’ouvertures pour permettre l’entrée ou la sortie d’un fluide. - pour au moins un élément de la pile, le caisson contient au moins une couche d’isolant thermique d’épaisseur inférieure à un tiers de largeur du caisson, la couche d’isolant revêtant au moins les faces latérales et frontales du caisson et éventuellement les faces supérieure et inférieure et entourant au moins une chambre à volume parallélépipédique à l’intérieur du caisson, la au moins une chambre ayant une longueur, une largeur et une hauteur, la chambre ayant une face supérieure et une face inférieure opposées horizontales, la face supérieure et/ou la face inférieure de la chambre étant au moins partiellement ouvertes, deux faces frontales opposées verticales ainsi que deux faces latérales opposées verticales, les faces supérieure et inférieure de la chambre étant définies par la longueur et la largeur de la chambre, les deux faces frontales de la chambre par la longueur et la hauteur de la chambre et les deux faces latérales de la chambre par la largeur et la hauteur de la chambre, la chambre contenant au moins un corps de matière permettant l’échange de masse et/ou de chaleur, le corps étant de forme parallélépipédique et remplissant au moins une partie de la chambre. - chaque élément de la pile ou la plupart des éléments de la pile contient un corps composé d’une seule des variantes i) à iii) ci-dessus, les éléments étant disposés de sorte qu’au moins un fluide puisse circuler dans la pile d’éléments à travers les corps. - le troisième élément comprend des ouvertures uniquement dans une seule face qui est la face supérieure ou la face inférieure. - le troisième élément comprend au moins deux ouvertures dans une des faces qui est la face supérieure ou la face inférieure et au moins une ouverture dans la face opposée. - le premier et/ou deuxième élément constitue l’élément inférieur ou supérieur d’une pile d’éléments, reliée par le premier et/ou deuxième élément à un premier troisième élément et reliée également à un deuxième troisième élément disposée à un point intermédiaire de la pile ou à l’autre extrémité de la pile
Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu une pluralité d’assemblages juxtaposés, chaque assemblage étant selon l’une des revendications précédentes dans lequel le troisième élément d’un des assemblages est relié au troisième élément d’un autre assemblage à travers un quatrième élément comprenant un caisson parallélépipédique, posé en contact avec les troisièmes éléments afin de permettre le transfert de fluide d’un assemblage à l’autre à travers le quatrième élément et les troisièmes éléments.
Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu un appareil de traitement d’un gaz, par exemple un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique dans lequel : i) une unité d’épuration du gaz, par exemple de l’air est au moins partiellement constituée par un assemblage selon variante i) ci-dessus, l’adsorbant est capable d’adsorber de l’eau et/ou du dioxyde de carbone et/ou une partie des impuretés secondaires de l’air, l’assemblage comprenant des moyens pour y envoyer du gaz, par exemple de l’air, à épurer en eau et/ou en dioxyde de carbone reliés à un élément de l’assemblage et des moyens pour prélever du gaz épuré d’un autre élément de l’assemblage et/ou ii) un échangeur de chaleur est au moins partiellement constitué par un assemblage selon variante ii) ci-dessus, l’assemblage comprenant des moyens pour envoyer un gaz, par exemple de l’air ou un gaz de l’air, à un élément de l’assemblage et des moyens pour prélever le gaz à une température plus chaude ou plus froide d’un autre élément de l’assemblage et/ou iii) une colonne de distillation est au moins partiellement constituée par un assemblage selon variante iii) ci-dessus l’assemblage comprenant des moyens pour y envoyer un gaz, par exemple de l’air ou un gaz de l’air, reliés â un élément de l’assemblage et des moyens pour prélever un gaz épuré ou enrichi en un composant du gaz d’un autre élément de l’assemblage.
Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un procédé d’échange de masse et/ou de chaleur dans un assemblage ou un appareil tel que décrit ci-dessus dans lequel on introduit au moins un premier fluide dans le corps d’un élément d’un assemblage et on retire un deuxième fluide dérivé du premier fluide du corps d’un autre élément de l’assemblage. - l’échange de masse et/ou de chaleur opère à une pression de moins de 2 bars, de préférence à une pression au plus égale à 400 mbars au-dessus de la pression atmosphérique.
Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un procédé de construction ou de modification d’un appareil d’échange de matière et/ou de chaleur, l’appareil d’échange de masse et/ou de chaleur comprenant un assemblage d’au moins un premier et un deuxième éléments modulaires empilables, chacun des premier et deuxième éléments comprenant un caisson parallélépipédique ayant une longueur, une largeur et une hauteur, le caisson ayant une face supérieure et une face inférieure opposées horizontales, deux faces frontales opposées verticales ainsi que deux faces latérales opposées verticales, les faces supérieure et inférieure du caisson étant définies par la longueur et la largeur du caisson, les deux faces frontales du caisson par la longueur et la hauteur du caisson et les deux faces latérales du caisson par la largeur et la hauteur du caisson , le caisson contenant au moins une couche d’isolant thermique d’épaisseur inférieure à un tiers de largeur du caisson, la couche d’isolant revêtant au moins les faces latérales et frontales du caisson et éventuellement les faces supérieure et inférieure et entourant au moins une chambre à volume parallélépipédique à l’intérieur du caisson, la au moins une chambre ayant une longueur, une largeur et une hauteur, la chambre ayant une face supérieure et une face inférieure opposées horizontales, la face supérieure et/ou la face inférieure de la chambre étant au moins partiellement ouvertes, deux faces frontales opposées verticales ainsi que deux faces latérales opposées verticales, les faces supérieure et inférieure de la chambre étant définies par la longueur et la largeur de la chambre, les deux faces frontales de la chambre par la longueur et la hauteur de la chambre et les deux faces latérales de la chambre par la largeur et la hauteur de la chambre, la chambre contenant au moins un corps de matière permettant l’échange de masse et/ou de chaleur, le corps étant de forme parallélépipédique et remplissant au moins une partie de la chambre , le premier élément ayant l’au *»ams une chambre présentant une ouverture sur la face inférieure communiquant avec une ouverture dans la face inférieure du caisson et le deuxième élément ayant l’au moins une chambre présentant une ouverture sur la face supérieure communiquant avec une ouverture dans la face supérieure du caisson pour permettre le transfert de fluide du corps du premier élément vers le corps du deuxième élément et/ou du deuxième élément vers le corps du premier élément dans lequel a) on fixe le premier élément sur le deuxième élément ou on fixe le deuxième élément sous le premier de manière étanche, de sorte qu’un fluide puisse passer du corps du premier élément vers le corps du deuxième élément et/ou du corps du deuxième élément vers le corps premier élément et/ou b) on désolidarise le premier élément du deuxième élément, au dessus duquel il est fixé de manière étanche ou on désolidarise le deuxième élément du premier élément en dessous duquel il fixé de manière étanche, de sorte qu’un fluide puisse passer du corps du premier élément vers le corps du deuxième élément et/ou du deuxième élément vers le corps du premier élément.
Selon d’autres aspects de l’invention, il est prévu : - le corps du premier élément et le corps du deuxième élément sont tous deux i) un corps de matériel adsorbant ou ii) une pile de plaques métalliques orientées verticalement, les plaques étant séparées par des ailettes ou iii) une pile de plaques ondulées orientées verticalement, les ondulations étant orientés à un angle entre 10° et 80° avec l’horizontale. - l’au moins un corps remplit au moins une partie de la chambre à l’intérieur du caisson du premier et/ou du deuxième élément et i) un autre corps permettant l’échange de masse et/ou de chaleur remplit une autre partie, voire le reste, de la chambre ou une autre chambre et/ou ii) au moins Une conduite de transfert de matière traverse l’autre partie, voire le reste de la chambre ou une autre chambre, pour permettre la matière de traverser le caisson et/ou iii) l’autre partie, voire le reste de la chambre ou l’autre chambre constitue un moyen permettant le transfert de matière à travers le caisson. - l’assemblage constitue au moins une partie d’un lit d’adsorbant, un échangeur de chaleur ou un appareil de distillation, de préférence cryogénique et en ce que i) le rajout du deuxième élément permet d’augmenter la capacité de l’assemblage et/ou d’augmenter l’efficacité de l’assemblage ou ii) le retrait du deuxième élément permet de réduire la capacité de l’assemblage et/ou de réduire l’efficacité de l’assemblage et/ou de réduire le volume de l’assemblage - le premier et/ou deuxième élément constitue(nt) un(des) élément(s), éventuellement un élément inférieur ou supérieur, d’une pile d’au moins deux éléments, chaque élément de la pile comprenant un caisson parallélépipédique ayant une longueur, une largeur et une hauteur, le caisson ayant une face supérieure et une face inférieure opposées horizontales, deux faces frontales opposées verticales ainsi que deux faces latérales opposées verticales, les faces supérieure et inférieure du caisson étant définies par la longueur et la largeur du caisson, les deux faces frontales du caisson par la longueur et la hauteur du caisson et les deux faces latérales du caisson par la largeur et la hauteur du caisson, la plupart des éléments, voire chaque élément, de la pile ayant la même largeur et éventuellement la même longueur et/ou la même hauteur. - au moins un élément de la pile peut être plus long que d’autres éléments de la pile, de préférence plus long que la plupart des, voire tous les éléments de la pile - on rajoute le premier élément dans la pile d’éléments au-dessus du deuxième élément et en dessous d’un autre élément. - on retire le premier élément et on remplace le premier élément par un autre élément ayant le même type de corps, i) ii) ou iii) comme décrit dans la revendication 3 que le premier corps, mais ayant une plus grande capacité et/ou une meilleure efficacité et/ou un fonctionnement moins défectueux que celui/celle du premier élément. - on retire le premier élément et on le remplace par un élément de forme parallélépipédique ayant la même longueur et la même largeur que le premier élément mais ne contenant pas un corps de même type que le premier corps, voire ne contenant pas de corps d’un type i) à iii) décritci-dessus. - on assemble une première pile comprenant principalement des éléments de corps du type i) ou du type ii) ou du type iii) comme décrit ci-dessus et on assemble une deuxième pile comprenant principalement des éléments de corps du type i) ou du type ii) ou du type iii) comme décrit ci-dessusde sorte qu’une face latérale de la deuxième pile est sensiblement en contact avec une face latérale de la première pile. - on assemble une troisième pile comprenant principalement des éléments de corps du type i) ou du type ii) ou du type iii) comme décrit ci-dessusde sorte qu’une face latérale de la deuxième pile est sensiblement en contact avec une face latérale de la troisième pile. - la première pile contient principalement des éléments de corps de type i) et/ou la deuxième pile contient principalement des éléments de corps de type ii) et/ou la troisième pile contient principalement des éléments de corps de type iii). - un élément de la première pile ou la deuxième pile contient un compresseur d’air destiné à alimenter en air des éléments de la pile de corps de type i) ou ii).
Dans une variante du procédé i) selon la variante a) ci-dessus on prend le premier et/ou deuxième élément dans un centre de fabrication ou une plateforme logistique et/ou ii) selon la variante b) ci-dessus on dépose le premier et/ou deuxième élément dans un/le centre de fabrication ou une/la plateforme logistique, le centre de fabrication ou la plateforme logistique contenant de préférence plusieurs éléments identiques au premier élément et/ou plusieurs éléments identiques au deuxième élément.
Selon une variante, on désolidarise un premier et/ou deuxième élément d’un premier appareil selon l’étape b) ci-dessus, on dépose l’élément désolidarisé dans un centre de fabrication ou un plateforme logistique, éventuellement on y reconditionne l’élément désolidarisé, on prend l’élément désolidarisé dans le centre ou la plateforme pour le transporter à un deuxième appareil où il est fixé selon l’étape a) ci-dessus à un autre élément pour former partie du deuxième appareil L’invention propose d’utiliser des éléments modulaires qui permettent d’assembler et de démarrer un appareil de traitement d’un gaz, par exemple un appareil de séparation d’air, rapidement, les éléments modulaires étant fabriqués en atelier et étant de tailles facilement transportables, typiquement de la taille d’un conteneur normalisé maritime.
Les éléments modulaires sont facilement solidarisés entre eux, pour faciliter la construction d’un appareil et sont également facilement désolidarisés, pour faciliter la modification ou déménagement des éléments.
Des connexions de type fluide ou électricité ou d’instrumentation entre éléments modulaires adjacents, mais aussi l’étanchéité entre éléments modulaires adjacents, seront faites au niveau des interfaces entre deux éléments adjacents, par accostage d’un élément modulaire avec un autre, ne demandant pas ou peu d’intervention humaine.
Il est évidemment envisageable que des connexions de fluide ou d’électricité ou d’instrumentation peuvent être faites par des moyens disposés sur des parois extérieures des éléments modulaires adjacents ou non-adjacents.
Le fonctionnement des éléments modulaires aura été complètement validé en amont du transport de l’élément (vérification, contrôle qualité, ...)
En outre, l’aspect modulaire permet d’augmenter ou de réduire la taillé de l’appareil de traitement d’un gaz, par exemple un appareil de séparation d’air, et aussi de facilement le démonter pour l’installer sur un autre site, en ajoutant ou en supprimant des éléments modulaires d’éléments modulaires au sein d’un même appareil. L’aspect modulaire permet aussi de multiplier facilement le nombre d’appareils en parallèle (notion de « multi-train »).
Pour la maintenance, on pourra imaginer de faire un échange standard avec un autre élément modulaire.
Certains éléments modulaires pourront éventuellement être changés durant la vie de l’appareil, par exemple par un élément modulaire plus performant énergétiquement (mais certainement plus cher) si le coût d’énergie devient plus grand. Ce procédé de configuration peut aussi s’appliquer à un ajustement des productions de liquide, de gaz sous pression...
La mise en œuvre, notamment de la connectique des fluides gazeux, sera facilitée par l’utilisation du concept d’un appareil opérant à la pression atmosphérique ou une pression légèrement au-dessus de la pression atmosphérique, pour laquelle on pourra éventuellement tolérer un certain taux de fuite.
Selon l’invention, on peut choisir une seule taille d’élément modulaire ayant des dimensions données ^our y installer une partie d’un équipement de l’appareil, en utilisant plusieurs élément modulaires chacun de la même taille. Sinon, on peut choisir deux tailles d’élément modulaires, les éléments modulaires des deux tailles ayant chacun la même hauteur et la même largeur mais la longueur d’une taille de élément modulaire étant deux fois celle de l’autre taille de élément modulaire. Dans ce cas, on utilisera un nombre d’éléments modulaires d’une première taille et un nombre d’éléments modulaire d’une deuxième taille.
Les dimensions sont choisies de sorte qu’au moins un équipement de l’appareil est non seulement transporté sur site dans l’élément modulaire mais installé sur place pour former partie de l’appareil qui fonctionne, restant à l’intérieur du même élément modulaire que celui utilisé pour le transport.
Dans certains cas, un équipement entier d’un appareil, voire plusieurs équipements en entier, peut rentrer dans un élément modulaire, par exemple l’équipement peut être un rebouilleur ou un condenseur, un échangeur de chaleur, par exemple un échangeur de chaleur plus petit, tel qu’un sous-refroidisseur, une pompe, un compresseur, une turbine, une vanne de détente ou une salle de contrôle, d’instrumentation ou électrique.
Dans d’autres cas, en particulier quand l’équipement en état de marche a une hauteur élevée, il est nécessaire de concevoir l’équipement en une série de morceaux, dont chacun est disposé dans un élément modulaire individuel. Les éléments modulaires sont ensuite superposés et les morceaux connectés en série à l’intérieur des éléments modulaires pour permettre un fonctionnement des morceaux en série, avec au moins un fluide d’un élément modulaire passant dans l’autre élément modulaire. Ainsi les morceaux superposés composent l’équipement entier, tel qu’une colonne permettant l’échange de chaleur et/ou de matière, par exemple une colonne de distillation ou une colonne de lavage ou un échangeur de chaleur ou une tour d’adsorption ou d’absorption.
La hauteur du morceau est choisie de sorte que le morceau puisse rentrer dans l’élément modulaire. Pour en améliorer la stabilité, l’élément modulaire est disposé avec sa longueur parallèle au sol, sa largeur également parallèle au sol et sa hauteur y étant perpendiculaire.
Pour le cas où une seule taille d’élément modulaire est utilisée, la longueur de l’élément modulaire est de préférence au moins 1, 5 fois la hauteur de l’élément modulaire, voire au moins 2 fois la hauteur de l’élément modulaire, voire au moins 4 fois la hauteur de l’élément modulaire.
Pour le cas où une seule taille d’élément modulaire est utilisée, la longueur de l’élément modulaire est de préférence au moins 1, 5 fois la largeur de l’élément modulaire, voire au moins 2 fois la largeur de l’élément modulaire, voire au moins 4 fois la largeur de l’élément modulaire.
Pour le cas où une seule taille d’élément modulaire est utilisée, La largeur de l’élément modulaire peut être plus grande ou plus petite que la hauteur de l’élément modulaire ou égale à celle-ci.
Pour le cas où une seule taille d’élément modulaire est utilisée, La longueur de l’élément modulaire est évidemment plus grande que la hauteur de l’élément modulaire et plus grande que sa largeur.
Pour le cas où deux tailles d’élément modulaire sont utilisées, la longueur de l’élément modulaire plus court est de préférence au moins 1, 25 fois la hauteur de l’élément modulaire plus court, voire au moins 1, 5 fois la hauteur de l’élément modulaire plus court, voire au moins 2 fois la hauteur de l’élément modulaire plus court. La longueur de l’élément modulaire plus long est de préférence au moins 2, 5 fois la hauteur de l’élément modulaire plus long, voire au moins 3 fois la hauteur de l’élément modulaire plus long, voire au moins 4 fois la hauteur de l’élément modulaire plus long.
Pour le cas où deux tailles d’élément modulaire sont utilisées, la longueur de l’élément modulaire plus court est de préférence au moins 1, 25 fois la largeur de l’élément modulaire plus court, voire au moins 1, 5 fois la largeur de l’élément modulaire plus court, voire au moins 2 fois la largeur de l’élément modulaire plus court. La longueur de l’élément modulaire plus long est de préférence au moins 2, 5 fois la largeur de l’élément modulaire plus long, voire au moins 3 fois la largeur de l’élément modulaire plus long, voire au moins 4 fois la largeur de l’élément modulaire plus long.
Pour le cas où deux tailles d’élément modulaire sont utilisées, l’élément modulaire le plus court et l’élément modulaire le plus long ont la même hauteur et la même largeur.
Pour le cas où deux tailles d’élément modulaire sont utilisées, la hauteur de l’élément modulaire plus long est la moitié de la hauteur de l’élément modulaire plus court et/ou la longueur de l’élément modulaire plus long est sensiblement le double de la longueur de l’élément modulaire plus court.
Les éléments modulaires peuvent être déclinés selon différentes configurations.
Les éléments modulaires peuvent chacun contenir une partie d’un équipement ayant une seule fonction principale.
Par exemple, un équipement, tel qu’un échangeur thermique peut être constitué en partie ou entièrement d’éléments modulaires superposés.
Un appareil d’épuration par adsorption peut être constitué en partie ou entièrement d’éléments modulaires superposés.
Une colonne de distillation ou de lavage peut être constituée en partie ou entièrement d’éléments modulaires superposés.
Un élément modulaire peut ne pas contenir d’instrumentation ou alimentation électrique et dans ce cas ne nécessite pas forcément en atelier de validation / test, autre que le contrôle qualité.
Au contraire, un élément modulaire peut contenir des objets ayant une multitude de fonctions (machines rotatives, telles qu’un compresseur, une turbine ou une pompe, des composants électriques, de l’instrumentation, procédés, des dispositifs de distribution de fluide (tuyaux, vannes...), devenant un module complexe qui nécessite une validation / test / contrôle complet en atelier L’élément modulaire peut contenir des équipements ayant une fonction «annexe» telle que support, salle de contrôle,, salle électrique, salle instrumentation/analyse, magasin / pièce de rechange...
Les éléments modulaires peuvent être agencés de sorte que leur longueur est disposée verticalement et/ou horizontalement par rapport au sol, une fois mises en place pour constituer l’appareil. La position avec la longueur disposée horizontalement par rapport au sol quand l’élément est installé à sa position finale est privilégiée pour des raisons de stabilité et facilité de montage des éléments. De plus, comme ces éléments sont généralement transportés avec leur longueur dans le sens horizontal, par exemple par camion ou bateau, l’élément reste dans la même position pour le transport et l’installation finale. Il n’est donc pas nécessaire de prévoir des supports à l’intérieur de l’élément pour empêcher son contenu de se déplacer quand l’élément est dans une position verticale, puisque l’élément est toujours dans la position horizontale, que ce soit pour le transport, la mise en place sur site ou sa disposition finale sur site.
La structure d’au moins les éléments modulaires en contact avec des sections de l’appareil fonctionnant à une température subambiante, voire cryogénique sera dans un matériau qui résiste mécaniquement à la basse température ou dans un matériau plus classique protégé par une isolation thermique adéquate.
Les parois de l’élément modulaire seront planes, ou « bombées » vers l’extérieur ou vers l’intérieur si on vient plus facilement contenir la pression. La solution « bombée » vers l’intérieur facilite le transport (la paroi ne dépasse pas de la structure « porteuse »). L’isolation pourra être intégrée aux parois et aux structures exposées au milieu ambiant, par exemple à l’aide de panneaux sous vide. L’utilisation d’isolation plus traditionnelle (particulaire, par exemple perlite, bourrage de laine de verre ou roche) pourra aussi être prévue en fonction de l’accessibilité demandée pour la maintenance des équipements concernés.
La paroi de la zone interne avec son isolation éventuelle délimite une chambre et peut «contenir» directement le corps ayant une fonction de procédé (par exemple, ondes d’échange pour l’échange thermique, garnissage structuré pour la distillation, adsorbant pour l’adsorption, compression, détente). La connectique permettant le transfert d’au moins un fluide entre les éléments modulaires peut être faite par soudure ou préférentiellement par un système mécanique avec joint éventuel compatible avec les températures cryogéniques et avec la nature du produit pour faciliter l’évolutivité et la facilité de démontage, tant au niveau de la distribution de fluide (« tuyaux ») ou au niveau d’un raccordement entre deux parties d’une même fonction de procédé. La tenue mécanique de l’assemblage des éléments modulaires peut, par exemple, être assurée par un système type verrou tournant (en anglais « twist-lock ») se logeant préférentiellement dans les coins normalisés de l’élément modulaire) indépendamment de la connectique « fluide », la connectique « fluide » assurant juste une étanchéité, pouvant être imparfaite.
Les autres connectiques (électricité, instrumentation) sont de type plus classiques « plug and play »
Il peut aussi y avoir des tuyauteries externes aux éléments modulaires pour relier deux parties de l’appareil, notamment dans le cas de fluides sous pression au-dessus d’un seuil donné.
Les éléments modulaires ont des guides et des systèmes de verrouillage rapides dans les angles, permettant la précision dans les connexions « plug and play ».
Le génie civil peut rester simple, utilisant une seule dalle plane ou encore uniquement des pieux situés sous la structure, éventuellement uniquement les coins, de chaque élément modulaire reposant sur le sol. L’élément modulaire reposant au sol peut être éventuellement renforcé, par exemple, par ajout de point de contact avec le sol.
Les éléments modulaires ont de préférence une structure telle que les efforts mécaniques entre éléments ou le sol sont repris préférentiellement dans les angles. L’isolation d’un élément modulaire est intégrée aux parois de l’élément et éventuellement à la structure de l’élément. Ceci évite la formation de ponts thermiques.
Un élément modulaire a au moins une dimension, voire deux ou trois, supérieure et/ou au moins une dimension, voire deux ou trois, inférieure et/ou au moins une dimension, voire deux ou trois, égale à celles d’un conteneur normalisé maritime. Typiquement l’élément modulaire a au moins une dimension correspondant à la taille d’un conteneur normalisé de transport maritime de 20 pieds ou 40 pieds, soit environ 2.5 x 2.5 x 6 m ou 2.5 x 2.5 x 12 m.
Un élément peut avoir à ces huit angles un coin normalisé de conteneur maritime, par exemple selon la norme ISO 668. L’invention sera décrite en plus de détail en se référant aux Figures 1,3 et 4 qui représentent des éléments modulaires selon l’invention et la Figure 2 qui représente deux éléments modulaires superposés pour former un assemblage selon l’invention, aux Figures 5 à 8 qui représentent des assemblages d’éléments modulaires selon l’invention, à la Figure 9 qui représente une coupe d’éléments modulaires assemblés selon l’invention, à la Figure 10 qui représente une coupe d’un éléments modulaire selon l’invention, aux Figures 11 à 13 qui représentent des assemblages d’éléments modulaires selon l’invention et aux Figures 14 à 19 qui représentent un cycle de vie d’un assemblage d’éléments modulaires selon l’invention.
La Figure 1a est une vue de dessus d’un élément modulaire. Une vue de dessous serait substantiellement identique. L’élément modulaire 10 est un élément permettant un échange de matière et/ou de chaleur. Il est composé d’un caisson 2 de forme parallélépipédique, formée de poutres par exemple métalliques. L’élément comporte huit coins ISO 101 de type « conteneur » fixés sur le caisson 2 et a une largeur orientée horizontalement par rapport au sol, une longueur orientée horizontalement par rapport au sol et une hauteur orientée verticalement par rapport au sol, quand il est installé pour faire partie d’un appareil.
Les conteneurs ISO sont soumis à des normes de constructions et à des tests de performances spécifiques. Il en est de même pour les coins ISO.
Les coins ISO sont certifiés par un organisme reconnu internationalement pour permettre leur utilisation « multimodale » en transport maritime, routier, ferroviaire voire aérien.
Des coins ISO en acier, en aluminium ou acier inoxydable sont disponibles dans le commerce selon leur usage spécifié. L’élément comprend un caisson ayant une face supérieure et une face inférieure opposées horizontales, deux faces frontales opposées verticales ainsi que deux faces latérales opposées verticales, les faces supérieur^ et inférieure du caisson étant définies par la longueur et la largeur du caisson, les deux faces frontales du caisson par la longueur et la hauteur de l’élément modulaire et les deux faces latérales du caisson par la largeur et la hauteur du caisson. Les parois latérales et frontales sont par exemple en tôle métallique. Les faces formées par la largeur et la longueur de l’élément sont ouvertes pour permettre le passage de fluides. Alternativement, l’ouverture peut être plus petite que la surface de la face inférieure et/ou supérieure, recouvrant au moins une partie de l’isolant 3 et éventuellement une partie de la zone 4.
Il est évident que la hauteur et la largeur de l’élément ne sont pas forcément identiques, de sorte que les parois latérales peuvent tous être rectangulaires sans être carrés. Les parois peuvent aussi être plus petites que les dimensions du caisson de l’élément. Les parois sont de préférence fixées à l’intérieur du caisson 2, mais peuvent être fixées à l’extérieur de celui-ci. Un isolant 3 habille le caisson 2 du coté intérieur, au moins sur les cotés verticaux du parallélépipède. La face supérieure et/ou inférieure peut aussi comprendre une paroi, et être isolée. L’isolant 3 peut être plaqué sur une tôle qui s’appuie sur le caisson 2 pour assurer une étanchéité « fluide » entre l’intérieur et l’ambiante. L’isolant 3 peut aussi directement assurer cette fonction d’étanchéité, ainsi que la fonction de paroi structurante. A défaut, une paroi étanche, par exemple une tôle métallique, peut être appliquée coté intérieur sur l’isolant 3. Le caisson 2 et l’isolant 3 délimitent une zone interne. Le caisson 2, la paroi et/ou l’isolation 3 peuvent être dimensionnées pour contenir l’éventuelle surpression à l’intérieur de la zone interne.
La zone interne entoure une zone 4. Cette zone 4 contient un corps qui permet de faire du transfert de masse et/ou de chaleur, par exemple du garnissage structuré pour faire de la distillation, une matrice d’échangeur à plaques et ailettes pour faire de l’échange de chaleur, de l’adsorbant sous forme de billes ou structuré pour faire de l’adsorption . Cette zone peut aussi contenir une zone du support, par exemple en partie basse, des zones de distributions de fluide, par exemple en partie basse et/ou en partie haute. Elle peut aussi être partitionnée en plusieurs parties, par exemple verticalement, avec des parois qui peuvent être étanches, et/ou structurantes (par exemple, résister à une différentielle de pression) et/ou isolantes thermiques. De préférence le corps remplit toute la section de la zone 4.
Au moins un fluide circule de façon ascendante ou descendante à travers la zone 4. Dans certains cas, par exemple celui de la distillation, un fluide, par exemple un gaz, circule de façon ascendante et un autre, par exemple un liquide, de façon descendante à travers la zone 4.
La zone interne peut être entièrement constituée par la zone 4. Mais, comme illustré, elle peut également aussi contenir au moins une autre zone, par exemple ici une zone de circulation de fluide 5, délimitée par une paroi étanche et éventuellement isolante 6, dans une sorte de gaine. La partie en contact avec l’isolant 3 peut être délimitée par une paroi étanche, par exemple métallique, si l’isolant n’assure pas cette fonction. Dans le cas de la figure, deux zones de circulation de fluide 5 sont délimitées par une paroi étanche verticale 6. Ceci permet de remplacer des conduites de gaz ou de liquide d’un appareil classique en faisant circuler au moins un fluide devant être envoyé à un élément modulaire plus élevé ou plus bas et ne devant pas être traité par échange de masse et/ou de chaleur dans l’élément à travers lequel ils circulent.
Il est également envisageable que la zone interne comprenne plusieurs zones 4 .Par exemple, on pourrait avoir une première zone 4 et une deuxième zone séparées l’une de l’autre, chacune contenant du garnissage structuré pour faire de la distillation ou une matrice d’échangeur à plaques et ailettes pour faire de l’échange de chaleur ou de l’adsorbant sous forme de billes ou structuré pour faire de l’adsorption .
De même, les au moins deux zones pourraient chacune avoir une fonction différente ou des dimensions différentes, l’une contenant des garnissages structurés et l’autre une matrice d’échangeur à plaques et à ailettes.
Le fluide envoyé dans la zone 5 peut être directement en contact avec les parois de la zone, qui séparent la zone de l’isolant. Sinon le fluide peut être contenu dans une conduite qui transite par la zone.
La Figure 1b représente une coupe sur la ligne X-X de la Figure 1a. On y voit les quatre poutres du caisson 2 et deux des parois latérales rattachées à l’intérieur des poutres et revêtues d’isolant 3. Un corps d’échange de masse et/ou de chaleur de la première zone 4 est tenu en place par l’isolant 3 et est supporté par un distributeur 4’ destiné à distribuer un gaz passant de l’extérieur de l’élément vers le corps ou du corps vers l’extérieur de l’élément. Ce distributeur peut également servir à tenir le corps en place. Ce distributeur peut se réduire à un ensemble de poutres support. Le corps peut être un corps d’échange de masse uniquement, un corps d’échange de chaleur uniquement, (par exemple un échangeur de chaleur à plaques et à ailettes) ou un corps d’échange de masse et de chaleur.
La Figure 1c montre une variante de l’élément avec une coupe sur la ligne Y-Y de la Figure 1a. On y voit les quatre poutres de le caisson 2 et deux des parois latérales rattachées à l’intérieur des poutres et revêtues d’isolant 3.
Une barrière 6 divise la chambre 5 en deux pour former deux chemins de gaz, l’un des deux chemins étant de nouveau divisé en deux par la barrière 6’, les barrières 6, 6’ formant un T. Le gaz monte ou descend dans le chemin arrivant de l’extérieur de l’élément.
La Figure 1d montre une variante de l’élément de la Figure 1c avec une coupe sur la ligne Z-Z de la Figure 1a. Ici au lieu d’occuper toute la hauteur de l’élément comme dans le cas le plus fréquent des Figure 1a, 1b, 1c, le corps est divisé en deux parties 3, 4, chacun ayant un distributeur et/ou un ensemble de poutres support, vers le bas, les deux parties étant séparées verticalement l’une de l’autre par un espace. Le gaz montant dans le chemin 5 à côté du corps 4 rentre dans le corps 3 en passant par le distributeur 3’.
La Figure 2 représente une vue sur le coté d’un assemblage de deux éléments modulaires selon la Figure 1a. Pour chaque élément modulaire, on y voit les quatre poutres du caisson et une des parois latérales revêtues d’isolant. L’empilage de deux éléments modulaires de forme parallélépipédique 10 et 20 forme un assemblage de deux éléments modulaires reliés entre eux par des pièces de liaison mécanique 141 au niveau des coins ISO 101. L’ouverture entre les deux éléments modulaires de forme parallélépipédique, générée par la pièce de liaison 141 et/ou par l’écartement des poutres entre les ossatures des deux éléments modulaires, est comblée par un élément 131 qui assure à la fois l’étanchéité vis-à-vis de l’extérieur et la continuité de l’isolation entre les deux éléments modulaires de forme parallélépipédique 10 et 20. L’élément 131 peut être composé de plusieurs sous-éléments, par exemple un assurant la fonction isolation et une autre la fonction étanchéité. La pièce de liaison 141 peut être réalisée de façon à ce que les coins ISO supérieur et inferieur soient en contact, par exemple, par une liaison mécanique interne aux coins ISO ou encore extérieure en utilisant les trous latéraux des coins ISO. L’ouverture entre les deux éléments modulaires de forme parallélépipédique est alors réduite à son minimum, environ 2 cm, correspondant à l’écart de positionnement des poutres métalliques horizontales et le coin ISO 101, en général, autour de 1 cm. D’autres façons d’assembler les éléments modulaires et/ou d’assurer l’étanchéité entre les éléments modulaires peuvent être envisagées, par exemple le soudage et/ou un joint, par exemple en PTFE ou ses dérivés et/ou un collage par adhésif en plus de ou en remplacement d’une liaison mécanique. Les poutres peuvent être reliées entre elles par un système mécanique, typiquement de la boulonnerie, à la manière d’une bride de tuyauterie, pour renforcer l’étanchéité si nécessaire.
Evidemment plus que deux éléments peuvent être assemblés de cette manière.
Comme les deux éléments ont la même longueur et la même largeur, il suffit de fixer un élément sur l’autre par les coins 101 qui sont contigus, afin d’attacher les éléments ensemble. L’espace entre les éléments est rempli au moins du joint 131 de sorte que les fluides dans les zones 4 ne puissent sortir de l’ensemble des éléments mais passent entièrement d’un élément à l’autre.
La Figure 3 représente une vue de dessus d’un élément modulaire selon la Figure 1a portant l’élément d’étanchéité 131.
Cette figure montre l’emplacement de l’élément d’étanchéité, par exemple un joint 131, à l’interface entre deux éléments modulaires de forme parallélépipédique 10, 20. L’élément 131 s’appuie sur l’épaisseur d’isolant, et aussi de façon préférentielle sur le caisson 2, à l’exception des ISO 101. D’autres éléments 132, 133 et 134, éventuellement de même nature que l’élément 131, vont assurer la continuité de fluides entre les deux éléments modulaires de forme parallélépipédique 10, 20, en terme d’étanchéité et éventuellement d’isolation : l’élément 132 dans le cas où la zone 4 a été partitionnée en plusieurs parties, par exemple verticalement, avec des parois qui peuvent être étanches, l’élément 133 dans le cas où on veut canaliser un fluide en sortie de la zone 4, typiquement en sortie d’un transfert de chaleur, l’élément 134 pour les zones de circulation de flpide 5.
Ces éléments 131, 132, 133 et 134 peuvent être mis en place lors de l’assemblage des deux éléments modulaires 10, 20 de forme parallélépipédique. Ces éléments 131, 132, 133 et 134 peuvent éventuellement ne constituer qu’une seule pièce.
La Figure 4 est une vue de dessus d’une variante de la Figure 1a dans laquelle la zone 4 ne contient pas de corps qui est une partie seulement d’un élément de transfert de masse/chaleur mais contient un équipement complet 7, par exemple de transfert de chaleur, qui comporte par exemple une entrée 8 et une sortie 9, qui traversent l’isolant 3, l’éventuelle paroi structurante et/ou d’étanchéité, et éventuellement la structure 2.
Dans ce cas, un élément d’un appareil de séparation est suffisamment petit ou trop complexe pour être divisé en plusieurs sections, dont chacune se trouverait dans un élément modulaire respectif. Ceci est typiquement le cas des échangeurs de chaleur utilisés comme rebouilleurs ou comme condenseurs.
Au moins un fluide circule de façon ascendante ou descendante à travers l’interface entre deux éléments modulaires de forme parallélépipédique, au niveau de la zone 4, les deux éléments modulaires de forme parallélépipédique pouvant être de type de la Figure 4, ou de la Figure 1a et de la Figure 4.
Dans la Figure 5, un appareil de séparation de gaz 1, par exemple de l’air, est au moins en partie constitué de différents éléments modulaires 11, 12, 21, 22, 23, 24, 31,32, 33, 41,42, 43, 44, 45,46, 47 et 48 tels que décrits pour au moins une des figures précédentes. Ils sont de forme parallélépipédique et comprennent au moins 8 coins 101 par exemple ISO de type conteneur, fixés sur une structure, assemblés par exemple comme décrit ci-dessus.
Par exemple, les élément modulaires 11 et 12 peuvent être des dimensions d’un conteneur normalisé de longueur de 40 pieds et les autres élément modulaires 21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 et 48 de dimension d’un conteneur normalisé de longueur de 20 pieds.
La circulation des fluides respectivement dans une première pile composée des éléments modulaires 21, 22, 23 et 24, une deuxième pile composée des éléments modulaires 31, 32 et 33, une troisième pile cômposée des éléments modulaires 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 et 48 se fait essentiellement verticalement au sein de chaque élément modulaire et chaque pile, et essentiellement verticalement à l’interface 11, 12 entre deux élément modulaires de la pile. Chaque pile est disposée de sorte que le bord le plus long des éléments modulaires est parallèle au sol.
Dans le cas d’une séparation d’air, la première pile 21, 22, 23 et 24 peut assurer essentiellement la fonction de pré-refroidissement et d’épuration en tête, la deuxième pile 31, 32 et 33 la fonction d’échange thermique et la troisième pile 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 et 48 la fonction de distillation cryogénique entre l’azote et l’oxygène.
La troisième pile pourrait constituer une seule colonne opérant à basse pression ou une pluralité de colonnes à pressions différentes, chacune constituée par quelques éléments de la pile.
Les élément modulaires 11 et 12 permettent notamment de faire circuler les fluides horizontalement à travers des gaines rectangulaires et/ou des tuyaux ronds de façon à transférer les fluides respectivement entre la première pile 21, 22, 23 et 24 et la deuxième pile 31, 32 et 33, la deuxième pile 31, 32 et 33 et la troisième pile 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 et 48. Les éléments modulaires 11 et 12 peuvent aussi assurer des fonctions procédés et/ou de contrôles et/ou utilités. Par exemple ils peuvent contenir des moyens de commande et/ou de contrôle et/ou d’analyse et/ou d’instrumentation et/ou de fourniture d’utilités, telles de l’électricité ou de l’air instrument. L’élément modulaire 11 est placé à cheval des éléments modulaires 24 et 33, au dessus de la première et la deuxième pile, et l’élément modulaire 12 placé à cheval des éléments modulaires 31 et 41 sous la deuxième et la troisième pile. Les éléments modulaires 11 et 12 comportent de préférence des coins ISO intermédiaires 102 pour faciliter l’assemblage respectivement avec les éléments modulaires 24 et 33, avec les éléments modulaires 31 et 41. L’élément modulaire 11, 12 peut être isolé de différentes façons. Il peut être isolé en déposant un isolant à l’extérieur du caisson. Il peut être isolé en revêtant l’intérieur des faces frontales et latérales d’isolation et en plus la face supérieure ou inférieure si celle-ci est exposée. Une autre possibilité est d’isoler l’au moins une conduite ou l’au moins une gaine à l’intérieur de l’élément 11,12.
Comme les éléments 11, 12 ne comprennent que deux ouvertures, ces ouvertures se trouvant dans la face inférieure et la face supérieure respectivement, les éléments 11, 12 servent essentiellement transférer Un fluide d’une pile vers la pile adjacents, et éventuellement à changer la direction d’écoulement des fluides traversant les piles. Ainsi un fluide traversant la première pile du bas vers le haut peut traverser la deuxième pile du haut vers le bas. A noter néanmoins qu’un fluide peut traverser les deux piles dans le même sens. Par exemple, un gaz traverse la première pile et est envoyé à la deuxième pile en traversant l’élément 11. Ensuite il descend jusqu’à l’élément 31 via la zone 5 des éléments 33, 32, 31 avant d’être envoyé à la chambre de l’élément 31.
Ceci permettrait, par exemple de constituer une colonne de distillation, en utilisant deux piles d’éléments, par exemple les deux premières piles de la Figure 5. Le gaz montant dans les corps de distillation des éléments 21 à 24 serait envoyé par les zones 5 des éléments 33 à 31 vers les corps de distillation des éléments 31 à 33 qu’il traversera en commençant par le bas.
La colonne ainsi constituée aurait une hauteur particulièrement réduite.
La Figure 6 diffère de la Figure 5 par l’ajout d’une quatrième pile supplémentaire composée des éléments modulaires 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61 et 62, qui dans le cas d’une séparation d’air peut assurer essentiellement la fonction de distillation cryogénique entre l’argon et l’oxygène. L’élément modulaire 43 de la Figure 5 a été remplacé par l’élément modulaire 13 qui permet notamment de faire circuler les fluides horizontalement à travers des gaines rectangulaires et/ou des tuyaux ronds de façon à transférer les fluides respectivement entre la troisième pile 41, 42, 44, 45, 46, 47 et 48 et quatrième pile supplémentaire 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61 et 62. L’élément modulaire 13 est placé au sein de la troisième pile (entre l’élément modulaire 42 et 44) et au sein de la quatrième pile supplémentaire (entre l’élément modulaire 53 et 54). L’élément modulaire 13 permet le cas échéant de faire circuler des fluides verticalement entre la partie basse de la troisième pile 41 et 42, et la partie haute de la troisième pile 44, 45, 46, 47 et 48. L’élément modulaire 13 permet dans ce cas de répartir les gaz provenant d’une seule pile sur deux piles. Ici par exemple un gaz d’un point intermédiaire de la troisième pile, constituant une simple colonne de distillation à basse pression, est enrichi en argon. Ce gaz poursuit en partie son chemin vers le haut de la simple colonne, c'est-à-dire les éléments 45 à 48 mais est également envoyé vers le haut de la quatrième pile supplémentaire 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61 et 62.
Par contre, aucun fluide ne passe de l’élément 53 vers l’élément 54 à travers l’élément 13. Dans d’autres configurations, au moins un fluide peut passer de l’élément 53 vers l’élément 54 à travers l’élément. 13 et vice-versa.
Les éléments 51 à 53 peuvent avoir plusieurs variantes. Ils peuvent être de simples supports auquel cas ils ne contiennent même pas d’isolant, étant de simples caissons vides. Ils peuvent contenir d’autres éléments utiles pour le procédé, par exemple des pompes. Les éléments 51 à 53 peuvent être des éléments modulaires selon l’invention comme illustré dans les Figures 1 à 4 avec une chambre contenant un corps de garnissages de distillation. Ils peuvent par exemple constituer une colonne de déazotation, avec les conduites contenant l’argon produit par l’élément 62 envoyé à travers les zones 5 des éléments 62 à 54, l’élément 13 et les zones 5 des éléments 51 être envoyé vers l’élément 51 pour y être distillé et pour fournir un produit riche en argon provenant de l’élément 53.
La Figure 7a est une vue de devant et la Figure 7b est une vue de derrière d’un même assemblage.
Contrairement à la Figure 5, les piles des éléments modulaires de forme parallélépipédique qui comporte au moins 8 coins ISO 101 de type conteneur fixés sur une structure sont accolées dans le sens de la longueur des éléments modulaires, au lieu de la largeur.
Pour fixer les idées, les éléments modulaires 21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 41,42, 43, 44, 45, 46, 47 et 48 sont de dimension d’un conteneur 20 pieds. Si on appliquait directement l’invention telle que décrit dans la Figure 5 (c’est-à-dire, d’avoir un conteneur qui « chevauche » deux conteneürs de deux piles adjacentes), les éléments modulaires de liaison 11 et 12 de la figure auraient une largeur qui est le double d’un format conteneur, ce qui ne permet pas son transport et sa manutention par des moyens classiques.
Dans les Figures 7a et 7b, la liaison horizontale entre la première pile et la deuxième pile, respectivement la deuxième pile et la troisième pile, se fait à l’aide de deux éléments modulaires 11a et 11b, respectivement 12a et 12b, la largeur et la hauteur étant celle d’un conteneur ISO classique, et la longueur ajustée à deux largeurs de conteneur ISO classique de façon à s’associer correctement aux deux piles. Cette configuration permet son transport et sa manutention par des moyens classiques.
La liaison entre la première pile et la deuxième pile pourrait être réalisée grâce à un seul élément modulaire 11a, et celle entre la deuxième pile et la troisième pile à un seul élément modulaire 12a, l’élément modulaire 12b pouvant être alors réduit à sa seule fonction de structure.
Contrairement aux Figures 7a et 7b, pour la Figure 8, la largeur des éléments modulaires 11a, 11b et 11c, respectivement 12a, 12b et 12c a été réduite de façon à placer trois éléments modulaires entre les deux piles, sans création de « vide » entre les éléments modulaires, tout en maintenant un format qui permet son transport et sa manutention par des moyens classiques de conteneur ISO.
La Figure 9 illustre la liaison entre deux piles, par exemple l’ensemble 12 de la figure 5. Il s’agit d’une vue de coté. Les éléments modulaires 31 et 41 sont disposés sur l’élément modulaire de liaison 12 qui est disposé sur un support non-illustré. Au niveau de chaque coin ISO est disposée une pièce de liaison mécanique et l’élément 82 assure à la fois l’étanchéité vis-à-vis de l’extérieur et la continuité de l’isolation entre l’élément modulaire 12 et l’élément modulaire 31, respectivement 41, comme décrit ci-dessus. L’élément 71 symbolise une gaine de fluide (ou encore un tuyau) qui permet de passer de/vers l’élément modulaire 31 vers/de l’élément modulaire 41 en transitant de façon sensiblement horizontale à travers l’élément modulaire 12, en ayant un transfert vertical de/vers l’élément modulaire 31, respectivement l’élément modulaire 41 vers/de l’élément modulaire de liaison 12, le plan de jonction étant alors horizontal. L’élément modulaire 12 comporte de préférence des coins ISO intermédiaires 102 pour faciliter l’assemblage avec les éléments modulaires 31 et 41.
La Figure 10 illustre (vue de dessus) une alternative à la Figure 9 d’un élément modulaire de liaison 12. L’élément 71 est une gaine de fluide permettant de passer d’une pile à l’autre. L’élément 72 est un tuyau de fluide permettant de passer d’une pile à l’autre. Les espaces 73 et 74 délimités par des parois internes et la paroi de l’isolant 83 permettent de faire transiter des fluides entre les deux piles. L’élément modulaire de liaison 12 peut aussi contenir des équipements de procédés: par exemple, un morceau d’équipement procédés 91, tel qu’un corps d’échange de matière et/ou de chaleur peut être délimité par l’isolation 83 et une paroi interne, ou encore un autre morceau d’équipement procédés 92 avec son propre contenant, par exemple une colonne à distiller. L’élément modulaire de liaison 12 peut encore aussi contenir des fonctions de contrôles, d’instrumentation et/ou utilités. L’élément modulaire 12 comporte de préférence des coins ISO intermédiaires 102
La Figure 11 diffère de la Figure 5 par le doublement de la deuxième pile en deux sous-piles parallèles 31a et 32a, respectivement 31b et 32b. Les éléments modulaires 12b et 11c permettent de transférer des fluides vers/de les deux sous-piles, depuis les éléments modulaires 12a et 11b. L’élément modulaire 12c peut être réduit à sa seule fonction de structure. L’élément modulaire 11a permet de transférer des fluides vers/de la première pile 21, 22 et 23.
Les éléments modulaires 11a, 11b, 11c, 12a, 12b et 12c peuvent avoir la même hauteur que les autres éléments modulaires, ou préférentiellement une hauteur réduite par exemple de moitié, comme illustré sur la Figure 11.
La Figure 12 diffère de la Figure 11 par le doublement de la première pile en 2 sous-piles parallèles 22a et 23a, respectivement 22b et 23b. Les éléments modulaires 11a et 21 permettent de transférer des fluides vers/de les 2 sous-piles.
La Figure 13 diffère de la Figure 5 en ce que les éléments 21, 22, 23 et 24 sont de tailles plus grandes que les éléments modulaires 31-33 et 41-48, par exemple des conteneurs 40’ et que l’élément de liaison 11a une taille intermédiaire entre 20’ et 40’ de façon à chevaucher les deux piles 21-24 et 31-33. La pile 21-24 a une orientation différente des autres piles, notamment celle adjacente 31-33, préférentiellement perpendiculaire.
Les Figures 14 à 19 décrivent un exemple de cycle de vie d’un appareil de séparation et/ou de liquéfaction de gaz, par exemple de l’air. L’appareil est constitué au moins en partie de différents éléments modulaires de forme parallélépipédique selon l’une des Figures 1 à 4. qui comporte au moins 8 coins ISO 101 de type conteneur fixés sur une structure, assemblée par exemple comme décrit ci-dessus.
La Figure 14 illustre la construction de l’appareil dans sa configuration initiale. Les différents éléments modulaires A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K et L sont de deux tailles différentes. Les éléments modulaires ont tous la même hauteur et la même largeur. Par contre les éléments modulaires C et E sont sensiblement deux fois plus longs que les autres. De façon optionnelle, A, L et K peuvent aussi être sensiblement deux fois plus longs que les autres
Les éléments modulaires sont superposés en trois piles verticales. Chaque pile est composée uniquement d’éléments d’une des deux tailles. Les éléments modulaires proviennent d’un centre de fabrication CF et/ou d’une plateforme logistique PL où sont stockés plusieurs éléments de chacun des deux tailles. On y stocke plusieurs exemplaires de chaque élément et chaque type de corps, afin de pouvoir remplacer tout élément défaillant. Ainsi un seul centre de fabrication et/ plateforme logistique peut desservir plusieurs appareils dans des endroits très éloignés, stockant des éléments de remplacement. Un processus de contrôle de qualité permet de s’assurer que chaque élément modulaire est fonctionnel.
Les différents éléments modulaires sont assemblés sur site en les empilant pour constituer au moins une partie de l’appareil.
La première pile comprend un élément A, surmonté de trois éléments B et une partie de l’élément C.
Dans le cas d’un appareil de séparation de gaz de l’air par voie cryogénique, l’élément modulaire A peut contenir une soufflante d’air et un pré-refroidissement, les élément modulaires B de l’adsorbant pour épurer l’air provenant de la soufflante dans A et l’élément modulaire C des gaines de transfert de fluide de la premier pile vers la deuxième pile et/ou de la deuxième pile vers la premier pile.
Les éléments modulaires sont conçus de sorte que l’air monte de l’élément modulaire B le plus bas, vers l’élément modulaire B du milieu et ensuite vers l’élément modulaire B du haut en s’épurant en eau et en dipxyde de carbone et une partie des impuretés secondaires de l’air. Ensuite l’air épuré de l’élément modulaire B du haut est transféré vers les gaines de l’élément modulaire C pour passer dans la deuxième pile. L’azote de régénération est transféré par l’élément modulaire C de la deuxième pile vers les éléments modulaires B.
La deuxième pile est placée à côté de la première pile de sorte que les parois de côté des éléments modulaires des deux piles se touchent, éventuellement avec un petit jour entre les deux.
La deuxième pile comprend une partie de l’élément modulaire C contenant les gaines décrites ci-dessus, les trois éléments modulaires D contenant chacun un tronçon d’échange de chaleur, et une partie de l’élément modulaire E contenant des gaines pour transférer au moins un fluide de la deuxième pile vers la troisième pile et/ou au moins un fluide de la troisième pile vers la deuxième pile. L’air épuré passe dans les éléments modulaires D pour être refroidi à une température cryogénique et des fluides de la distillation passent de l’élément modulaire E vers les éléments modulaires D pour être réchauffés.
La troisième pile est placée à côté de la deuxième pile de sorte que les parois de côté des éléments modulaires des deux piles se touchent, , éventuellement avec un petit jour entre les deux.
La troisième pile, plus haute que les deux autres, comprend en bas une partie de l’élément modulaire E avec ses gaines de transfert de fluide. Au-dessus de E est l’élément modulaire F qui est un vaporiseur. Au-dessus de F se trouvent superposés les trois éléments modulaires G contenant chacun un tronçon de distillation. L’élément modulaire H contient un condenseur et éventuellement un tronçon de distillation et se trouve au-dessus du plus bas des éléments modulaires G. Ensuite viennent les trois éléments modulaires I contenant chacun un tronçon de distillation. Au-dessus du plus haut tronçon de l’élément modulaire I est J un condenseur. Disposés à côté des autres tronçons sont l’élément modulaire K qui contient une pompe à chaleur pour la distillation et l’élément modulaire L qui contient une pompe à chaleur pour le bilan frigorifique de l’appareH.
Il est évident que le schéma pourrait être simplifié en éliminant les éléments modulaires L, K et/ou le condenseur J. Le nombre d’élément modulaires B, D, G et I peut être modifié pour produire les produits requis ou en modifiant les hauteurs des éléments modulaires.
La mise en place de l’appareil se limite à disposer les éléments modulaires les uns sur les autres et s’assurer qu’ils sont bien attachés et étanchés les uns aux autres et que la pile est bien fixée au sol. Ceci peut être réalisé par de la main d’œuvre peu qualifiée.
La Figure 15 illustre une première évolution de l’appareil de la Figure 14 au cours de son cycle de vie. Un nouvel élément modulaire I contenant un tronçon de colonne de distillation provient d’un centre de fabrication CF et/ou d’une plateforme logistique PL. Il est intercalé entre l’élément modulaire I supérieur et l’élément modulaire J, par exemple pour augmenter la pureté d’un produit. Pour cela il suffit d’enlever le condenseur J, de disposer le nouvel élément modulaire I à la place du condenseur et de replacer le condenseur J au-dessus du nouvel élément modulaire " I. De cette façon, quatre éléments modulaires I sont superposés au lieu de trois.
Dans le cas d’un appareil de séparation de gaz de l’air par voie cryogénique, l’élément modulaire I peut contenir un tronçon de distillation dans le but de produire de l’azote pur (« minaret »).
Pour réduire la consommation en énergie d’un appareil on peut rajouter : o Un élément modulaire vaporiseur / condenseur en tête et/ou en cuve de colonne ou à un niveau intermédiaire de la colonne pour réduire le pincement du vaporiseur et/ou condenseur ou. pour ajouter une fonction vaporiseur ou condenseur intermédiaire supplémentaire o Un élément modulaire contenant un tronçon(s) de distillation o Un élément modulaire de ligne d’échange aux éléments d’échangeur de chaleur pour réduire son pincement et donc réduire la consommation de la pompe à chaleur bilan o Un élément modulaire contentant une pompe à chaleur «basse énergie » ou un élément modulaire contenant pompe à chaleur relié en parallèle d’une pompe à chaleur existante ou relié en partie à un vaporiseur ou un condenseur supplémentaire
Pour réduire la consommation en énergie d’un appareil on peut changer des éléments modulaires par des éléments modulaires plus performants.
Pour modifier l’appareil pour produire de l’oxygène impur, on peut supprimer un élément modulaire de distillation. L’élément modulaire rajouté ou supprimé peut également contenir une pompe de produit liquide, un liquéfacteur ou un compresseur de produit.
La Figure 16 illustre une maintenance de l’appareil de la Figure 15 au cours de son cycle de vie. Un élément modulaire L fonctionnel provient d’un centre de fabrication CF et/ou d’une plateforme logistique PL et remplace l’élément modulaire L défectueux. L’élément modulaire L défectueux est renvoyé au centre de fabrication CF et/ou à une plateforme logistique PL où il peut être soit réparé et remis à disposition, soit démantelé, en recyclant éventuellement une partie de ses composants.
On peut aussi décider de remplacer l’élément modulaire L qui serait toujours fonctionnel par un nouvel élément modulaire L plus performant énergétiquement par exemple, ou encore plus performant en capacité (dégoulottage).
Cette opération de maintenance peut évidemment être effectuée pour tout élément A, B, C, D, E, F, G, H, J ou K de l’appareil.
La Figure 17 illustre une deuxième évolution de l’appareil de la Figure 15 au cours de son cycle de vie. Des nouveaux éléments modulaires J, F et K proviennent d’un centre de fabrication CF et/ou d’une plateforme logistique PL et sont intercalés à différents endroits de l’appareil, par exemple pour augmenter l’efficacité énergétique de l’appareil.
Dans le cas d’un appareil de séparation de gaz de l’air par voie cryogénique, on peut par exemple réduire la consommation énergétique d’une part, en doublant le vaporiseur par ajout d’un élément modulaire F et/ou en doublant le condenseur par ajout d’un élément modulaire J, permettant de réduire le pincement thermique de ces échangeurs, d’autre part, en doublant la pompe à chaleur pour la distillation par ajout d’un élément modulaire K, permettant de faire fonctionner la pompe à chaleur avec un meilleur rendement.
Ici encore l’installation des éléments nouveaux est facile et il suffit de déplacer les autres éléments pour disposer le nouvel élément juste au-dessus ou juste en dessous d’un autre élément modulaire ayant la même fonction (donc identifié par la même lettre de l’alphabet) ou n’ayant pas la même fonction.
La Figure 18 illustre une troisième évolution de l’appareil de la Figure 17 au cours de son cycle de vie. Des nouveaux éléments modulaires M, N, O et P proviennent d’un centre de fabrication CF et/ou de d’une plateforme logistique PL et sont intercalés à différents endroits de l’appareil, par exemple pour produire un autre produit. Ici les nouveaux éléments modulaires sont disposés pour former une quatrième pile.
Dans le cas d’un appareil de séparation de gaz de l’air par voie cryogénique, on peut par exemple produire de l’argon : L’élément modulaire M peut contenir des gaines de transferts et est de la taille plus grande. La quatrième pile comprend en bas l’élément modulaire P qui contient une pompe de remontée de liquide, ensuite les trois éléments modulaires O superposés chacun contenant un tronçon de distillation. Une partie de l’élément modulaire M, qui s’intercale dans la troisième pile se trouve au dessus de l’élément modulaire supérieur O. Ensuite au-dessus de la partie de l’élément modulaire M présente dans le quatrième pile, on trouve huit élément modulaires N superposés chacun contenant un tronçon de distillation. La tête de la quatrième pile est surmontée d’un condenseur H, déplacé de la troisième pile existante de la Figure 17.
La Figure 19 illustre la fin de cycle de l’appareil. Il peut être soit déménagé sur un autre lieu, soit purement et simplement démonté : dans ce dernier cas, au moins un des élément modulaires A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, Μ, N, O, P est renvoyé au centre de fabrication CF et/ou à une plateforme logistique PL où ils peuvent être soit remis à disposition, soit modernisés, soit démantelés, en recyclant éventuellement une partie de leurs composants. En particulier, un élément qui n’est plus requis sur un premier appareil peut être renvoyé au centre de fabrication ou à la plateforme logistique, éventuellement stocké sur place et envoyé à un deuxième appareil quand un besoin d’élément se présente. Ce mode d’opération présente des avantages de rapidité d’intervention, d’économie d’échelle et de gestion écologique.

Claims (10)

  1. Revendications
    1. Élément modulaire empilable (10, 11, 11a, 11b, 11c, 12, 12a, 12b, 12c, 13, 20, 21,22, 22a, 22b, 23, 23a, 23b, 24, 31, 31a, 31b, 32, 32a, 32b, 33, 41,42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, A, B, C, D, E, F, G, H, I, J K, L, Μ, N, O, P) de construction d’un appareil d’échange de masse et/ou de chaleur comprenant un caisson parallélépipédique (2) ayant une longueur, une largeur et une hauteur, le caisson ayant une face supérieure et une face inférieure opposées horizontales, deux faces frontales opposées verticales ainsi que deux faces latérales opposées verticales, les faces supérieure et inférieure du caisson étant définies par la longueur et la largeur du caisson, lés deux faces frontales du caisson par la longueur et la hauteur du caisson et les deux faces latérales du caisson par la largeur et la hauteur du caisson , le caisson contenant au moins une couche d’isolant thermique (3) d’épaisseur inférieure à un tiers de largeur du caisson, la couche d’isolant revêtant au moins les faces latérales et frontales du caisson et éventuellement les faces supérieure et inférieure et entourant au moins une chambre (4, 5, 6, 6’) à volume parallélépipédique à l’intérieur du caisson, la au moins une chambre ayant une longueur, une largeur et une hauteur, la chambre ayant une face supérieure et une face inférieure opposées horizontales, la face supérieure et/ou la face inférieure de la chambre étant au moins partiellement ouvertes, deux faces frontales opposées verticales ainsi que deux faces latérales opposées verticales, les faces supérieure et inférieure de la chambre étant définies par la longueur et la largeur de la chambre, les deux faces frontales de la chambre par la longueur et la hauteur de la chambre et les deux faces latérales de la chambre par la largeur et la hauteur de la chambre, la chambre contenant au moins un corps de matière permettant l’échange de masse et/ou de chaleur, le corps étant de forme parallélépipédiquè et remplissant au moins une partie de la chambre , la chambre présentant une ouverture sur la face supérieure et/ou une. ouverture sur la face inférieure et communicant avec une ouverture dans la face supérieure du caisson et/ou une-ouverture dans la face inférieure du caisson respectivement pour permettre le transfért de fluide vers le corps depuis l’extérieur de l’élément ët/ou du corps vers l’extérieur de iélémërft.
  2. 2. Elément selon la revendication 1 dans lequel l’au moins un corps remplit au moins une partie de la chambre (4) à l’intérieur du caisson (2) et i) un autre corps permettant l’échange de masse et/ou de chaleur remplit une autre partie, voire le reste, de la chambre ou une autre chambre (5, 6, 6’), et/ou ii) au moins une conduite de transfert de matière traverse l’autre partie, voire le reste de la chambre ou une autre chambre (5, 6, 6’), , pour permettre la matière de traverser le caisson ou iii) l’autre partie voire le reste de la chambre ou une autre chambre (5, 6, 6’), constitue un moyen permettant le transfert de matière à travers le caisson.
  3. 3. Élément selon l’une des revendications précédentes dans lequel i) au moins un corps est un corps de matériel adsorbant et/ou ii) au moins un corps est constitué par une pile de plaques métalliques orientées verticalement, les plaques étant séparées par des ailettes et/ou iii) au moins un corps est constitué par une pile de plaques ondulées orientées verticalement, les ondulations étant orientés à un angle entre 10° et 80° avec l’horizontale.
  4. 4. Elément selon l’une des revendications précédentes dans lequel la chambre (4) est ouverte sur la face supérieure et la face inférieure du caisson et la hauteur de la chambre est substantiellement égale à la hauteur du caisson (2).
  5. 5. Elément selon l’une des revendications 1 à 3 à y dans lequel la chambre (4) est ouverte sur la face supérieure ou la face inférieure du caisson (2) et fermée sur la face opposée de celui-ci.
  6. 6. Assemblage d’au moins un premier et un deuxième éléments superposés (10, 11, 11a, 11b, 11c, 12, 12a, 12b, 12c, 13, 20, 21, 22, 22a, 22b, 23, 23a, 23b, 24, 31, 31a, 31b, 32, 32a, 32b, 33, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, Μ, N, O, P ) l’un sur l’autre et en contact l’un avec l’autre selon l’une des revendications précédentes, les éléments étant disposés de sorte qu’au moins un corps du premier élément est disposé au-dessus d’au moins un corps du deuxième élément, le corps du premier élément et le corps du deuxième élément au-dessus duquel il est disposé étant tous deux constitués de i) matériel adsorbant ou ii) une pile de plaques métalliques orientées verticalement, les plaques étant séparées par des ailettes ou iii) une pile de plaques ondulées orientées verticalement, les ondulations étant orientés à un angle entre 10° et 80° avec l’horizontale et l’élément modulaire du premier élément a la même longueur et largeur que celui du deuxième élément
  7. 7. Assemblage selon la revendication 6 dans lequel les éléments (10, 11, lla, 11b, 11c, 12, 12a, 12b, 12c, 13, 20, 21,22, 22a, 22b, 23, 23a, 23b, 24, 31,31a, 31b, 32, 32a, 32b, 33, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, Μ, N, O, P)sont fixés l’un à l’autre en reliant les bords inférieurs des quatre parois latérales et frontales du caisson du premier élément aux bords supérieurs des quatre parois latérales et frontales du caisson du deuxième élément, par soudage et/ou adhésion utilisant un joint (131) et/ou un adhésif et/ou un rattachement mécanique, avec l’usage éventuel d’un joint, préférentiellement uniquement par les coins (101), l’assemblage ainsi réalisé assurant éventuellement une étanchéité.
  8. 8. Appareil de traitement d’un gaz, par exemple un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique dans lequel : i) une unité d’épuration du gaz, par exemple de l’air est au moins partiellement constituée par un assemblage d’au moins deux éléments (10, 11,11a, llb, 11c, 12, 12a, 12b, 12c, 13, 20, 21, 22, 22a, 22b, 23, 23a, 23b, 24, , A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, Μ, N, O, P) selon la revendication 3 variante i), l’adsorbant est capable d’adsorber de l’eau et/ou du dioxyde de carbone et/ou une partie des impuretés secondaires de l’air, l’assemblage comprenant des moyens pour y envoyer du gaz, par exemple de l’air, à épurer en eau et/ou en dioxyde de carbone reliés à un élément de l’assemblage et des moyens pour prélever du gaz épuré d’un autre élément de l’assemblage et/ou ii) un échangeur de chaleur est au moins partiellement constitué par un assemblage d’au moins deux éléments (10, 11, 11a, 11b, 11c, 12, 12a, 12b, 12c, 13, , 31, 31a, 31b, 32, 32a, 32b, 33, , A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, Μ, N, O, P) (10, 20) selon la revendication 3 variante ii), l’assemblage comprenant des moyens pour envoyer un gaz, par exemple de l’air ou un gaz de l’air, à un élément de l’assemblage et des moyens pour prélever le gaz à une température plus chaude ou plus froide d’un autre élément de l’assemblage et/ou iii) une colonne de distillation est au moins partiellement constituée par un assemblage d’au moins deux éléments (10, 11, 11a, 11b, 11c, 12,12a, 12b, 12c, 13, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, Μ, N, O, P) selon la revendication 3, variante iii) l’assemblage comprenant des moyens pour y envoyer un gaz, par exemple de l’air ou un gaz de l’air, reliés à un élément de l’assemblage et des moyens pour prélever un gaz épuré ou enrichi en un composant du gaz d’un autre élément de l’assemblage.
  9. 9. Procédé d’échange de masse et/ou de chaleur dans un assemblage selon la revendication 6 ou 7 ou un appareil selon la revendication 8 dans lequel on introduit au moins un premier fluide dans le corps d’un élément (10, 11, 11a, 11b, 11c, 12, 12a, 12b, 12c, 13, 20, 21, 22, 22a, 22b, 23, 23a, 23b, 24, 31, 31a, 31b, 32, 32a, 32b, 33, 41,42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, M, N, O, P) d’un assemblage et on retire un deuxième fluide dérivé du premier fluide du corps d’un autre élément (10, 11, 11a, 11b, 11c, 12, 12a, 12b, 12c, 13, 20, 21,22, 22a, 22b, 23, 23a, 23b, 24, 31,31a, 31b, 32, 32a, 32b, 33, 41,42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61,62, A, B, C, D, E, F, G, H, I, J) de l’assemblage.
  10. 10 Procédé selon la revendication précédente dans lequel l’échange de masse et/ou de chaleur opère à une pression de moins de 2 bars, de préférence à une pression au plus égale à 400 mbars au-dessus de la pression atmosphérique.
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