WO2017212144A1 - Élément de construction d'un appareil d'échange de masse et/ou de chaleur, assemblage de deux éléments et procédé d'échange utilisant un assemblage - Google Patents

Élément de construction d'un appareil d'échange de masse et/ou de chaleur, assemblage de deux éléments et procédé d'échange utilisant un assemblage Download PDF

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WO2017212144A1
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chamber
box
modular
assembly
elements
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PCT/FR2017/051383
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Patrice Cavagne
Benoît DAVIDIAN
Bernard Saulnier
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L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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Definitions

  • the present invention relates to a modular element for the construction of a mass exchange apparatus. and / or heat, an assembly of at least two such modular elements and a method of mass exchange and / or heat with such an assembly.
  • the invention also relates to an apparatus constituted at least partially by such an assembly of at least two such modular elements.
  • the present invention relates in particular to a cryogenic distillation apparatus, such as an air separation, constituted at least partially by an assembly of modular elements according to the invention and to a method of modifying such an apparatus.
  • the invention is also applicable to other mass and / or heat exchange apparatus, such as a heat exchanger, an adsorption purification apparatus or a distillation column.
  • the apparatus according to the invention can be installed and commissioned quickly. Once installed, it is easy to increase or decrease its capacity and / or energy efficiency. Its maintenance is less complicated and if necessary, it is easy to move. In addition, it is easy to modify the apparatus according to the invention by modifying its capacity and / or the contents of the products it must produce. You can also add or remove a product.
  • an air separation apparatus can be composed of a plurality of packets, each containing an entire equipment of the apparatus, for example the whole of a column, the whole of a heat exchanger, the whole of an adsorption unit for purification at the top of the air.
  • the dimensions of each packet are determined by the equipment that it must contain and therefore the packages all have different dimensions. Most packages are placed directly on the ground.
  • EP2657633 discloses a modular element in which two heat exchange bodies are arranged in an isolated enclosure. Both bodies have small openings on their upper surface to allow the passage of a pipe.
  • An object of the invention is to facilitate the configuration of an apparatus for treating a gas, for example a waste gas from an industrial process or an apparatus for separating air by cryogenic distillation or a part thereof. apparatus.
  • a gas for example a waste gas from an industrial process or an apparatus for separating air by cryogenic distillation or a part thereof. apparatus.
  • the device can be built faster and with low skilled labor.
  • a modular element containing a defective element can be replaced easily without the need to replace the entire equipment.
  • a stackable modular element of construction of a mass exchange apparatus and / or heat comprising a parallelepipedic box having a length, a width and a height, the box having a face horizontal opposite upper and lower face, two opposite vertical end faces and two opposite vertical side faces, the upper and lower faces of the box being defined by the length and the width of the box, the two front faces of the box by the length and the height of the box and the two lateral faces of the box by the width and height of the box, the box containing at least one layer of thermal insulation of thickness less than one third of the width of the box, the layer of insulating coating at least the lateral and front faces of the box and optionally the upper and lower faces and surrounding at least one parallelepiped-shaped chamber inside the box, the at least one chamber having a length, a width and a height, the chamber having a horizontal opposite upper and lower face, the upper face and / or the lower face of the chamber being at least partially open, two opposite vertical face faces and two opposite vertical
  • the at least one body fills at least part of the chamber inside the casing and
  • At least one material transfer line passes through the other part, or the remainder of the chamber or another chamber, to allow the material to pass through the casing or
  • the other part or the rest of the chamber or the other chamber is a means for the transfer of material through the box.
  • the height of the element is less than the length of the element, or even less than or equal to the width of the element.
  • the height of the body is equal to at least half the height of the element, if not equal to the height of the element.
  • At least one body is a body of adsorbent material.
  • At least one body is constituted by a stack of vertically oriented metal plates, the plates being separated by fins.
  • At least one body is constituted by a stack of vertically oriented corrugated plates, the corrugations being oriented at an angle between 10 ° and 80 ° with the horizontal.
  • the dimensions of the modular element are chosen to correspond to an element size belonging to the range.
  • the chamber is open on the upper face and the lower face of the box and the height of the chamber is substantially equal to the height of the box.
  • the chamber is open on the upper face or the lower face of the box and closed on the opposite side thereof.
  • At least one of the vertical faces of the box is in the form of a flat surface.
  • At least the upper face and / or the lower face of the box comprises connecting means for making a connection between neighboring elements.
  • the at least one chamber has a horizontal section of substantially square, rectangle or circular shape.
  • the chamber has a uniform horizontal section over the entire height of the chamber.
  • the chamber is closer to a side wall of the box that the opposite side wall of the box.
  • the box is metal, preferably aluminum or stainless steel or carbon steel or Invar.
  • the walls of the at least one chamber are metal, preferably aluminum or stainless steel or Invar.
  • the element is self-supporting.
  • the element has a length between 3 and 30 meters
  • the element has a height between 1 and 5 meters
  • the element has a width between 1 and 5 meters
  • the thickness of the insulation layer is less than 500 mm, or less than 300 mm, or less than 150 mm or even 100 mm.
  • the volume of the room or rooms constitutes at least 30% of the volume of the element.
  • the element comprises four vertical beams connecting the upper face of the box to the underside of the box by the corners, so that the mechanical forces pass through the corners of these faces.
  • the box is constituted by a standardized container, preferably having standardized corners, for example according to the ISO 668 standard
  • an opening in the upper face of the chamber communicates with an opening in the upper face of the box, the two openings preferably having substantially the same dimensions.
  • an opening in the lower face of the chamber communicates with an opening in the lower face of the box, the two openings preferably having substantially the same dimensions.
  • the opening in the lower face and / or the upper face of the box occupies at least 20% of the surface of the respective face of the box.
  • the opening in the lower face and / or the upper face of the chamber occupies at least 20% of the surface of the respective face of the chamber, preferably the entire surface of the respective face of the chamber.
  • the box of the first element has the same length and width as that of the second element.
  • the chamber of the first element has the same length and width as that of the second element.
  • the center points of the first element chambers and the second element are on a common vertical axis.
  • the body of the first element has the same length and width as that of the second element.
  • the at least one material transfer line passes through the other part, or even the rest of the chamber or another chamber, to allow the material to pass through the casing of the first element and / or
  • the other part, or even the rest of the chamber or the other chamber is a means for the transfer of material through the box of the first element.
  • the at least one material transfer line passes through the other part, or even the rest of the chamber or another chamber, to allow the material to pass through the second element casing and / or
  • the other part, or even the rest of the chamber or the other chamber is a means for the transfer of material through the box of the second element.
  • the material transfer line of the first element is connected to the material transfer means of the second element, which means may be the material transfer line of the second element, or even a part of the chamber or another chamber of the second element;
  • the other part or the remainder of the chamber or the other chamber of the first element is connected to the material transfer means of the second element, this means possibly being the material transfer line of the second element, or even a part of the room or another room of the second element
  • the material transfer pipe of the first element is the transfer pipe of the second element
  • a material transfer pipe passes through the first and second elements, or even most or all the elements of the assembly
  • the assembly comprises at least one means of circulating at least one fluid or electricity from one element to another through at least one pipe, which may be a cable, or a chamber of each element
  • the elements are fixed to one another by connecting the lower edges of the four lateral and front walls of the box of the first element to the upper edges of the four lateral and front walls of the box of the second element, by welding and / or adhesion using a seal and / or an adhesive and / or a mechanical attachment, with the possible use of a seal, preferably only by the corners, the assembly thus produced possibly providing a seal.
  • the assembly comprises a third element in contact with the first or the second element, the third element being parallelepipedal having a length, a width and a height, the third element having a horizontally opposite upper and lower face, two end faces; vertical opposites and two opposite vertical lateral faces, the upper and lower faces of the third element being defined by the length and the width of the modular element, the two end faces of the modular element by the length and the height of the third element and the two faces lateral elements of the modular element by the width and height of the third element, the third element containing no element allowing the exchange of material as described in claim 3 but containing at least one cable and / or at least one pipe for transferring electricity or a fluid of the first or second me element.
  • an apparatus for treating a gas for example an apparatus for separating air by cryogenic distillation in which:
  • a gas purification unit for example air is at least partially constituted by an assembly of at least two elements as described above, the adsorbent is capable of adsorbing water and and / or carbon dioxide and / or a part of the secondary impurities in the air, the assembly comprising means for sending gas therefrom, for example air, to be purified with water and / or bound carbon dioxide to an element of the assembly and means for withdrawing purified gas from another element of the assembly and / or
  • a heat exchanger is at least partially constituted by an assembly of at least two elements as described above, the assembly comprising means for sending a gas, for example air or a gas of the air, to an element of the assembly and means for withdrawing the gas at a warmer or cooler temperature from another element of the assembly and / or
  • a distillation column is at least partially constituted by an assembly of at least two elements as described above, the assembly comprising means for sending a gas, for example air or a gas of air, connected to an element of the assembly and means for taking a purified gas or enriched in a gas component of another element of the assembly.
  • a method of mass exchange and / or heat in an assembly or apparatus as described above in which at least one first fluid is introduced into the body of an element of an assembly and removing a second fluid derived from the first fluid of the body of another element of the assembly.
  • the exchange of mass and / or heat takes place at a pressure of less than 2 bar, preferably at a pressure at most equal to 400 mbar above atmospheric pressure.
  • At least some functional parts of the gas treatment apparatus are formed at least partially, preferably entirely, by modular elements.
  • the entire apparatus may be composed of modular elements.
  • an assembly of at least a first, a second and a third modular stackable elements of construction of a mass exchange apparatus and / or heat each of the first and second element comprising a parallelepipedic box having a length, a width and a height, the box having an opposite horizontal top and bottom face, two opposite vertical end faces and two opposite vertical side faces, the upper and lower faces of the box being defined by the length and the width of the box, the two front faces of the box by the length and the height of the box and the two lateral faces of the box by the width and the height of the box, the box containing at least one layer of insulation thermal thickness less than one third of the width of the box, the layer of insulation coating at least the side and front faces of the ca isson and possibly the upper and lower faces surrounding at least one parallelepiped-shaped chamber inside the box, the at least one chamber having a length, a width and a height, the chamber having a horizontal opposite upper and lower face , the upper face and / or the lower face
  • the at least one body fills at least part of the chamber inside the casing of the first and / or second element and
  • At least one material transfer line passes through the other part, or the remainder of the chamber or another chamber, to allow the material to pass through the casing or iii) the other part or the rest of the chamber or another chamber is a means for the transfer of material through the box.
  • At least one body is a body of adsorbent material and / or
  • At least one body is constituted by a stack of vertically oriented metal plates, the plates being separated by fins and / or
  • At least one body is constituted by a stack of corrugated plates oriented vertically, the corrugations being oriented at an angle between 10 ° and 80 ° with the horizontal.
  • the first element contains a body as described in variant i) or ii) or iii) of claim 3 and the second element contains a body as described in variant i) or ii) or iii) of claim 3 .
  • the third element contains no body as described in variants i), ii) or iii) of claim 3.
  • the first element has the same length and / or width and / or height as the second element.
  • the first, second and third elements are arranged with their lengths arranged in the same direction.
  • the sum of the lengths of the first and second elements is less than, equal to or greater than the length of the third element.
  • the first and second elements are arranged with their lengths arranged in the same direction and the third element is arranged with its length perpendicular to the lengths of the first and second elements.
  • the sum of the widths of the first and second elements is substantially equal to the length of the third element.
  • n third elements are disposed below or above the first and second elements, each third element being in contact with the first and the second element and each of the first and second elements comprising n openings to allow fluid transfer from / to to each of the third elements.
  • the length of the first and / or second element is substantially equal to the sum of the widths of the third elements, preferably each third element having the same width and the length of the first and / or second element being substantially equal to n times the width of a third element.
  • the third element has a height greater or smaller than the height of the first and / or second element.
  • the third element is fixed on the ground.
  • the casing of the third element contains at least one layer of thermal insulation with a thickness less than one-third of the width of the box, the layer of insulation coating at least the lateral and front faces of the box and optionally the upper and lower faces surrounding at least one chamber with parallelepipedal volume inside the box,
  • the third element contains at least one chamber having a length, a width and a height, the chamber having a horizontal opposite upper and lower face, the upper face and / or the lower face of the chamber being at least partially open ( s), two opposite vertical end faces and two opposite vertical side faces, the upper and lower faces of the chamber being defined by the length and width of the chamber, the two end faces of the chamber by the length and height of the chamber. the chamber and both sides of the chamber by the width and height of the chamber,
  • a chamber of the third element contains at least one body of material allowing the exchange of mass and / or heat, the body being of parallelepipedal shape and filling at least a part of the chamber, the first and second elements each having the chamber having an opening on the upper face communicating with an opening in the upper face of the box and an opening on the lower face communicating with an opening in the underside of the box respectively to allow the transfer of fluid to the body from the outside of the box; element and / or body to the outside of the element
  • the third element contains means for transferring at least one fluid from the first element to the second element and / or from the second element to the first element.
  • the third element contains at least one duct and / or at least one duct, one end of which is connected to at least one body and / or at least one transfer duct of the first element and the other end is connected to at least one duct; body and / or at least one transfer line of the second element.
  • the at least one pipe and / or the at least one sheath is coated with insulation the at least one duct and / or the at least one duct is coated with insulation is disposed in insulation which fills the space inside the third element
  • At least the front and side faces of the third element are coated with an insulating layer
  • the third element contains means of control and / or control and / or analysis and / or instrumentation and / or provision of utilities.
  • the box of the third element contains on at least one side at least one layer of thermal insulation of thickness at least possibly less than one third of the width of the box.
  • the first and / or second element constitutes the lower or upper element of a stack of elements, each element of the stack comprising a parallelepipedic box having a length, a width and a height, the box having an upper surface and a opposite horizontal bottom face, two opposite end faces vertical and two opposite vertical side faces, the upper and lower faces of the box being defined by the length and width of the box, the two front faces of the box by the length and height of the box and the two side faces of the box by the width and height of the box.
  • At least one element of the stack is a support element that does not comprise openings for allowing the entry or the exit of a fluid.
  • the box contains at least one layer of thermal insulation of thickness less than one third of the width of the box, the layer of insulation coating at least the lateral and front faces of the box and optionally the upper and lower faces and surrounding at least one parallelepiped-shaped chamber inside the box, the at least one chamber having a length, a width and a height, the chamber having a horizontal opposite upper and lower face, the upper face and / or the lower face of the chamber being at least partially open, two opposite vertical end faces and two opposite vertical side faces, the upper and lower faces of the chamber being defined by the length and the width of the chamber, the two front faces of the chamber by the length and height of the chamber and the two side faces of the chamber by the wide ur and the height of the chamber, the chamber containing at least one body of material allowing the exchange of mass and / or heat, the body being of parallelepipedal shape and filling at least a portion of the chamber.
  • each element of the cell or most elements of the cell contains a body composed of only one of the variants
  • the third element comprises openings in only one face which is the upper face or the lower face.
  • the third element comprises at least two openings in one of the faces which is the upper face or the lower face and at least one opening in the opposite face.
  • the first and / or second element constitutes the lower or upper element of a stack of elements, connected by the first and / or second element to a first third element and also connected to a second third element arranged at an intermediate point; from the stack or at the other end of the stack
  • each assembly being according to one of the preceding claims wherein the third element of one of the assemblies is connected to the third element of another assembly to through a fourth element comprising a parallelepipedic box, placed in contact with the third elements to allow the transfer of fluid from one assembly to the other through the fourth element and the third elements.
  • an apparatus for treating a gas for example an apparatus for separating air by cryogenic distillation in which:
  • a gas purification unit for example air is at least partially constituted by an assembly according to claim 3 variant i), the adsorbent is capable of adsorbing water and / or carbon dioxide; carbon and / or a part of the secondary impurities of the air, the assembly comprising means for sending gas therefrom, for example air, to be purified with water and / or carbon dioxide connected to an element of the assembly and means for withdrawing purified gas from another component of the assembly and / or
  • a heat exchanger is at least partially constituted by an assembly according to claim 3 variant ii), the assembly comprising means for sending a gas, for example air or an air gas, to an element the assembly and means for withdrawing the gas at a warmer or cooler temperature from another component of the assembly and / or
  • a distillation column is at least partially constituted by an assembly according to claim 3, variant iii) the assembly comprising means for sending a gas, for example air or an air gas, connected to an element of the assembly and means for withdrawing purified or enriched gas into a gas component of another element of the assembly.
  • a gas for example air or an air gas
  • a method of mass exchange and / or heat in an assembly or apparatus as described above in which at least one first fluid is introduced into the body of an element of an assembly and removing a second fluid derived from the first fluid of the body of another element of the assembly.
  • the exchange of mass and / or heat operates at a pressure of less than 2 bar, preferably at a pressure at most equal to 400 mbar above atmospheric pressure.
  • a method of constructing or modifying an apparatus for exchanging material and / or heat comprising an assembly at least first and second stackable modular elements, each of the first and second elements comprising a parallelepipedic box having a length, a width and a height, the box having an opposite upper and lower face horizontal, two opposite end faces vertical and two opposite sides vertical sides, the upper and lower faces of the box being defined by the length and width of the box, the two front faces of the box by the length and height of the box and the two side faces of the box by the width and height of the box, the box containing at least one layer of thermal insulation of thickness less than one third of the width of the box , the insulating layer coating at least the lateral and front faces of the box and optionally the upper and lower faces and surrounding at least one parallelepiped-shaped chamber inside the box, the at least one chamber having a length, a width and a height, the chamber having a horizontal opposite upper and lower face,
  • the first element is fixed on the second element or the second element is fixed under the first element in a sealed manner, so that a fluid can pass from the body of the first element to the body of the second element and / or the body of the second element; element to the body first element and / or
  • the first element is detached from the second element, above which it is sealed or the second element is detached from the first element below which it is sealingly attached, so that a fluid can pass from the body of the first element; element to the body of the second element and / or the second element to the body of the first element.
  • the body of the first element and the body of the second element are both i) a body of adsorbent material or
  • the at least one body fills at least part of the chamber inside the casing of the first and / or second element and
  • the other part or the rest of the chamber or the other chamber is a means for the transfer of material through the box.
  • the assembly constitutes at least part of an adsorbent bed, a heat exchanger or a distillation apparatus, preferably cryogenic, and in that
  • the addition of the second element makes it possible to increase the capacity of the assembly and / or to increase the efficiency of the assembly or
  • removal of the second element reduces the capacity of the assembly and / or reduces the efficiency of the assembly and / or reduces the volume of the assembly
  • the first and / or second element constitutes element (s), possibly a lower or upper element, of a stack of at least two elements, each element of the stack comprising a parallelepipedic box having a length, a width and a height, the box having a horizontally opposite upper and lower face, two opposite vertical end faces and two opposite vertical side faces, the upper and lower faces of the box being defined by the length and width of the box. box, the two front faces of the box by the length and height of the box and the two lateral faces of the box by the width and height of the box, most elements, or even each element, of the stack having the same width and possibly the same length and / or height.
  • At least one element of the stack may be longer than other elements of the stack, preferably longer than most, if not all, elements of the stack
  • the first element is removed and the first element is replaced by another element having the same type of body, i) ii) or iii) as described in claim 3 that the first body, but having a greater capacity and / or better efficiency and / or operation less defective than that of the first element.
  • the first element is removed and replaced by a parallelepiped shaped element having the same length and the same width as the first element but not containing a body of the same type as the first body, or even not containing body of a type i) to iii) described in claim 3.
  • a first stack is assembled comprising principally body elements of the type i) or of the type ii) or of the type iii) as described in claim 3 and a second stack is assembled comprising mainly body elements of the type i) or the type ii) or type iii) as described in claim 3 so that a side face of the second stack is substantially in contact with a side face of the first stack.
  • a third battery is assembled comprising mainly body elements of the type i) or of the type ii) or type iii) as described in claim 3 so that a side face of the second stack is substantially in contact with a face side of the third stack.
  • the first stack mainly contains body elements of type i) and / or the second stack mainly contains body elements of type ii) and / or the third stack contains mainly body elements of type iii).
  • An element of the first battery or the second battery contains an air compressor for supplying air elements of the type body stack i) or ii).
  • the first and / or second element is taken from a manufacturing center or a logistics platform and / or
  • the first and / or second element is deposited in a manufacturing center or a logistics platform
  • the manufacturing center or the logistics platform preferably containing several elements identical to the first element and / or several elements identical to the second element.
  • a first and / or second element of a first apparatus is detached according to step b) above, the uncoupled element is deposited in a manufacturing center or a logistics platform, if necessary it is repackaged therein. disconnected element, we take the uncoupled element in the center or the platform to transport it to a second device where it is fixed in step a) above to another element to form part of the second device
  • the invention proposes to use modular elements that make it possible to assemble and start up a gas treatment apparatus, for example an air separation apparatus, quickly, the modular elements being manufactured in accordance with the invention. workshop and being easily transportable sizes, typically the size of a standardized maritime container.
  • the modular elements are easily joined together, to facilitate the construction of a device and are also easily detached to facilitate the modification or removal of the elements.
  • connections of fluid or electricity or instrumentation may be made by means disposed on the outer walls of the adjacent or non-adjacent modular elements.
  • the modular aspect makes it possible to increase or reduce the size of the apparatus for treating a gas, for example an air separation device, and also to easily disassemble it for installation on another site by adding or removing modular elements of modular elements within the same device.
  • the modular aspect also makes it possible to easily multiply the number of devices in parallel (notion of "multi-train").
  • Some modular elements may possibly be changed during the life of the device, for example by a modular element more energy efficient (but certainly more expensive) if the energy cost becomes greater.
  • This configuration method can also be applied to an adjustment of the productions of liquid, of gas under pressure ...
  • a single size of modular element having given dimensions to install part of a piece of equipment of the apparatus, using multiple modular elements each of the same size.
  • two modular element sizes can be chosen, the modular elements of the two sizes each having the same height and the same width but the length of a modular element size being twice that of the other modular element size.
  • a number of modular elements of a first size and a number of modular elements of a second size will be used.
  • the dimensions are chosen so that at least one piece of equipment of the apparatus is not only transported on site in the modular element but installed on site to form part of the apparatus that operates, remaining inside the same modular element than that used for transport.
  • a whole equipment of a device can enter a modular element, for example the equipment can be a reboiler or a condenser, a heat exchanger, for example a heat exchanger more small, such as a subcooler, a pump, a compressor, a turbine, a relief valve or a control room, instrumentation or electrical.
  • the equipment can be a reboiler or a condenser, a heat exchanger, for example a heat exchanger more small, such as a subcooler, a pump, a compressor, a turbine, a relief valve or a control room, instrumentation or electrical.
  • the equipment in working order is high, it is necessary to design the equipment in a series of pieces, each of which is arranged in an individual modular element.
  • the modular elements are then superimposed and the pieces connected in series inside the modular elements to allow operation of the pieces in series, with at least one fluid of a modular element passing through the other modular element.
  • the superimposed pieces make up the entire equipment, such as a column allowing the exchange of heat and / or material, for example a distillation column or a washing column or a heat exchanger or an adsorption tower or absorption.
  • the height of the piece is chosen so that the piece can enter the modular element.
  • the modular element is arranged with its length parallel to the ground, its width also parallel to the ground and its height being perpendicular thereto.
  • the length of the modular element is preferably at least 1.5 times the height of the modular element, or even at least twice the height of the modular element , or at least 4 times the height of the modular element.
  • the length of the modular element is preferably at least 1.5 times the width of the modular element, or even at least twice the width of the modular element , or at least 4 times the width of the modular element.
  • the width of the modular element may be greater or smaller than the height of the modular element or equal to it.
  • the length of the modular element is obviously larger than the height of the modular element and greater than its width.
  • the length of the shorter modular element is preferably at least 1.25 times the height of the modular element shorter, or even at least 1.5 times the height. shorter modular element, or at least twice the height of the shorter modular element.
  • the length of the longer modular element is preferably at least 2.5 times the height of the modular element longer, or even at least 3 times the height of the modular element longer, or at least 4 times the height of the longer modular element.
  • the length of the shorter modular element is preferably at least 1.25 times the width of the modular element shorter, or even at least 1.5 times the width. shorter modular element, or at least twice the width of the modular element shorter.
  • the length of the longer modular element is preferably at least 2.5 times the width of the modular element longer, or at least 3 times the width of the modular element longer, or at least 4 times the width of the longer modular element.
  • the shortest modular element and the longest modular element have the same height and width.
  • the height of the longer modular element is half the height of the shorter modular element and / or the length of the longer modular element is substantially the same. double the length of the shorter modular element.
  • the modular elements can be declined according to different configurations.
  • the modular elements may each contain a portion of equipment having only one main function.
  • equipment such as a heat exchanger
  • equipment may consist of part or all of superimposed modular elements.
  • An adsorption purification apparatus may consist partly or entirely of superimposed modular elements.
  • a distillation or washing column may consist partly or entirely of superposed modular elements.
  • a modular element may not contain instrumentation or power supply and in this case does not necessarily require validation / test workshop, other than quality control.
  • a modular element can contain objects having a multitude of functions (rotary machines, such as a compressor, a turbine or a pump, electrical components, instrumentation, processes, fluid distribution devices (pipes , valves %), becoming a complex module that requires a validation / test / complete control in the workshop
  • the modular element can contain equipment having an "annex" function such as support, control room, electrical room, instrumentation / analysis room, store / spare room ...
  • the modular elements can be arranged so that their length is arranged vertically and / or horizontally with respect to the ground, once set up to constitute the apparatus.
  • the position with the length arranged horizontally relative to the ground when the element is installed at its final position is preferred for reasons of stability and ease of assembly of the elements.
  • these elements are generally transported with their length in the horizontal direction, for example by truck or boat, the element remains in the same position for transport and final installation. It is therefore not necessary to provide supports inside the element to prevent its contents from moving when the element is in a vertical position, since the element is always in the horizontal position, whether it is for transport, on-site installation or final disposal on site.
  • the structure of at least the modular elements in contact with sections of the apparatus operating at a subambient or even cryogenic temperature will be in a material that is mechanically resistant to low temperature or a more conventional material protected by adequate thermal insulation.
  • the walls of the modular element will be flat, or “curved” outwards or inwards if it is easier to contain the pressure.
  • the solution “convex” inward facilitates the transport (the wall does not exceed the "carrier” structure).
  • the insulation may be integrated with the walls and structures exposed to the ambient environment, for example using vacuum panels.
  • the use of more traditional insulation may also be provided according to the accessibility required for the maintenance of the equipment concerned.
  • the wall of the inner zone with its possible insulation delimits a chamber and can directly "contain" the body having a process function (for example, exchange waves for heat exchange, structured packing for distillation, adsorbent for adsorption, compression, relaxation).
  • Connectors for transferring at least one fluid between the modular elements can be made by welding or preferably by a mechanical system with a seal compatible with cryogenic temperatures and with the nature of the product to facilitate scalability and ease of disassembly , both at the level of the fluid distribution (“pipes”) or at a connection between two parts of the same process function.
  • the mechanical strength of the assembly of the modular elements may, for example, be provided by a twist lock type system (in English “twist-lock”) preferably housing in the standardized corners of the modular element) regardless of the connection " fluid ", the connection” fluid "just ensuring a seal, which may be imperfect.
  • a twist lock type system in English “twist-lock” preferably housing in the standardized corners of the modular element
  • the modular elements have guides and quick locking systems in the corners, allowing precision in plug and play connections.
  • the civil engineering can remain simple, using a single flat slab or only piles located under the structure, possibly only corners, of each modular element resting on the ground.
  • the modular element resting on the ground can be possibly reinforced, for example, by adding point of contact with the ground.
  • the modular elements preferably have a structure such that the mechanical forces between elements or the ground are preferentially taken up in the corners.
  • the insulation of a modular element is integrated in the walls of the element and possibly in the structure of the element. This avoids the formation of thermal bridges.
  • a modular element has at least one dimension, or even two or three, greater and / or at least one dimension, or even two or three, lower and / or at least one dimension, or even two or three, equal to those of a standardized container maritime.
  • the modular element has at least one dimension corresponding to the size of a standard shipping container of 20 feet or 40 feet, or about 2.5 x 2.5 x 6 m or 2.5 x 2.5 x 12 m.
  • An element can have at these eight angles a standardized wedge of maritime container, for example according to ISO 668.
  • FIGS. 1, 3 and 4 represent modular elements according to the invention and FIG. 2 which shows two superimposed modular elements to form an assembly according to the invention
  • FIGS. to 8 represent assemblies of modular elements according to the invention
  • Figure 9 which shows a section of modular elements assembled according to the invention
  • Figure 10 which shows a section of a modular elements according to the invention
  • Figures 1 1 to 13 which represent assemblies of modular elements according to the invention
  • Figures 14 to 19 which show a life cycle of an assembly of modular elements according to the invention.
  • Figure 1a is a top view of a modular element. A view from below would be substantially identical.
  • the modular element 10 is an element allowing an exchange of material and / or heat. It is composed of a box 2 of parallelepiped shape, formed of beams for example metal.
  • the element has eight ISO 101 "container" wedges attached to the casing 2 and has a width oriented horizontally to the ground, a length oriented horizontally to the ground and a vertically oriented height from the ground, when it is installed to be part of a device.
  • ISO containers are subject to specific building standards and performance tests. It's the same for ISO corners.
  • ISO corners are certified by an internationally recognized organization to allow their "multimodal" use in maritime, road, rail or even air transport.
  • ISO wedges made of steel, aluminum or stainless steel are commercially available for their specified purpose.
  • the element comprises a box having a horizontal opposite upper and lower face, two opposite vertical end faces and two opposite vertical side faces, the upper and lower faces of the box being defined by the length and the width of the box, the two front faces of the box by the length and height of the modular element and the two side faces of the box by the width and height of the box.
  • the side and front walls are for example sheet metal.
  • the faces formed by the width and the length of the element are open to allow the passage of fluids.
  • the opening may be smaller than the surface of the lower and / or upper face, covering at least a portion of the insulation 3 and possibly part of the zone 4.
  • the height and the width of the element are not necessarily identical, so that the side walls can all be rectangular without being square.
  • the walls may also be smaller than the dimensions of the element box.
  • the walls are preferably fixed inside the box 2, but can be fixed outside thereof.
  • An insulator 3 dresses the box 2 on the inner side, at least on the vertical sides of the parallelepiped.
  • the upper and / or lower face may also comprise a wall, and be isolated.
  • the insulator 3 can be plated on a sheet which rests on the casing 2 to ensure a "fluid" seal between the interior and the ambient.
  • the insulator 3 can also directly provide this sealing function, as well as the structuring wall function.
  • a sealed wall for example a metal sheet, may be applied on the inside of the insulator 3.
  • the box 2 and the insulator 3 delimit an internal area.
  • the casing 2, the wall and / or the insulation 3 may be sized to contain the possible overpressure inside the inner zone.
  • the inner zone surrounds an area 4.
  • This zone 4 contains a body which makes it possible to carry out mass and / or heat transfer, for example structured packing to make distillation, a plate and fin exchanger matrix for making heat exchange, adsorbent in the form of beads or structured to adsorb.
  • This zone may also contain an area of the support, for example in the lower part, fluid distribution zones, for example in the lower part and / or in the upper part. It can also be partitioned into several parts, for example vertically, with walls that can be sealed, and / or structuring (for example, withstanding a differential pressure) and / or thermal insulators.
  • the body fills the entire section of zone 4.
  • At least one fluid flows upwards or downwards through zone 4.
  • a fluid for example a gas
  • another for example a liquid
  • the inner zone may be entirely made up of zone 4. However, as illustrated, it may also also contain at least one other zone, for example here a fluid circulation zone 5, delimited by a leaktight and possibly insulating wall 6, in a kind of sheath.
  • the part in contact with the insulator 3 may be delimited by a sealed wall, for example metal, if the insulation does not provide this function.
  • two fluid circulation zones 5 are delimited by a vertical leaktight wall 6. This makes it possible to replace gas or liquid lines of a conventional apparatus by circulating at least one fluid to be sent to a modular element higher or lower and not to be treated by mass exchange and / or heat in the element through which they circulate.
  • the inner zone comprises several zones 4.
  • the at least two zones could each have a different function or different dimensions, one containing structured packings and the other a plate and finned exchanger matrix.
  • the fluid sent into the zone 5 can be directly in contact with the walls of the zone, which separate the zone of the insulation. Otherwise the fluid can be contained in a pipe that passes through the area.
  • Figure 1b shows a section on line X-X of Figure 1a. It shows the four beams of the box 2 and two of the side walls attached to the inside of the beams and coated with insulation 3.
  • a mass exchange body and / or heat of the first zone 4 is held in place by the insulator 3 and is supported by a distributor 4 'for dispensing a gas passing from the outside of the element to the body or the body to the outside of the element.
  • This distnbutor can also be used to hold the body in place.
  • This distributor can be reduced to a set of support beams.
  • the body may be a mass exchange body only, a heat exchange body only, (for example a plate and fin heat exchanger) or a mass and heat exchange body.
  • Figure 1c shows a variant of the element with a section on line Y-Y of Figure 1a. It shows the four beams of the caisson 2 and two of the side walls attached to the inside of the beams and coated with insulation 3.
  • a barrier 6 divides the chamber 5 in two to form two gas paths, one of the two paths being again divided in two by the barrier 6 ', the barriers 6, 6' forming a T.
  • the gas rises or falls in the path coming from outside the element.
  • Figure 1d shows a variant of the element of Figure 1c with a section on line Z-Z of Figure 1a.
  • the body is divided into two parts 3, 4, each having a distributor and / or a set of beams support, down, the two parts being separated vertically from one another by a space.
  • the gas rising in the path 5 next to the body 4 enters the body 3 through the distributor 3 '.
  • Figure 2 shows a view on the side of an assembly of two modular elements according to Figure 1a. For each modular element, we see the four beams of the box and one of the side walls coated with insulation.
  • the stack of two parallelepiped-shaped modular elements 10 and 20 forms an assembly of two modular elements interconnected by mechanical connection parts 141 at the ISO corners 101.
  • the opening between the two parallelepiped-shaped modular elements, generated by the connecting piece 141 and / or by the spacing of the beams between the frames of the two modular elements, is filled by an element 131 which provides both the sealing vis-à-vis the outside and the continuity of the insulation between the two modular elements of parallelepipedal shape 10 and 20.
  • the element 131 may be composed of several sub-elements, for example one ensuring the isolation function and another the sealing function.
  • the connecting piece 141 may be made in such a way that the upper and lower ISO corners are in contact, for example, by an internal mechanical connection at the ISO or outside corners using the lateral holes of the ISO corners.
  • the opening between the two parallelepiped-shaped modular elements is then reduced to its minimum, approximately 2 cm, corresponding to the positioning gap of the horizontal metal beams and the ISO corner 101, in general, around 1 cm.
  • the two elements have the same length and the same width, it is sufficient to fix one element on the other by the corners 101 which are contiguous, in order to attach the elements together.
  • the space between the elements is filled at least with the seal 131 so that the fluids in the zones 4 can not leave all the elements but pass entirely from one element to another.
  • FIG. 3 represents a top view of a modular element according to FIG. 1a bearing the sealing element 131.
  • This figure shows the location of the sealing element, for example a seal 131, at the interface between two parallelepiped-shaped modular elements 10, 20.
  • the element 131 is based on the thickness of the insulation, and also preferentially on the caisson 2, with the exception of ISO 101.
  • Other elements 132, 133 and 134, possibly of the same nature as the element 131, will ensure the continuity of fluids between the two modular elements of parallelepipedal shape 10, 20, in terms of sealing and possibly insulation: element 132 in the case where the zone 4 has been partitioned into several parts, for example vertically, with walls that can be sealed, the element 133 in the case where it is desired to channel a fluid leaving the zone 4, typically at the outlet of a heat transfer the element 134 for the fluid circulation zones 5.
  • These elements 131, 132, 133 and 134 can be put in place during the assembly of the two parallelepiped-shaped modular elements 10, 20. These elements 131, 132, 133 and 134 may possibly constitute a single piece.
  • FIG. 4 is a top view of a variant of FIG. 1a in which zone 4 does not contain a body which is only a part of a mass / heat transfer element but contains a complete equipment 7, for example example of heat transfer, which comprises for example an inlet 8 and an outlet 9, which pass through the insulation 3, the possible structuring wall and / or sealing, and possibly the structure 2.
  • a complete equipment 7 for example example of heat transfer, which comprises for example an inlet 8 and an outlet 9, which pass through the insulation 3, the possible structuring wall and / or sealing, and possibly the structure 2.
  • an element of a separation apparatus is sufficiently small or complex to be divided into several sections, each of which would be in a respective modular element. This is typically the case of heat exchangers used as reboilers or as condensers.
  • At least one fluid flows upwards or downwards through the interface between two parallelepiped-shaped modular elements, at the level of the zone 4, the two parallelepiped-shaped modular elements being of the type shown in FIG. 4, or FIG. 1 a and Figure 4.
  • a gas separation apparatus 1 for example air, is at least partly made up of different modular elements 1 1, 12, 21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 41 , 42, 43, 44, 45, 46, 47 and 48 as described for at least one of the preceding figures. They are of parallelepipedal shape and comprise at least 8 corners 101, for example ISO of container type, fixed on a structure, assembled for example as described above.
  • the modular elements 1 1 and 12 may be dimensions of a standard container 40 feet long and the other modular elements
  • the circulation of the fluids respectively in a first stack composed of the modular elements 21, 22, 23 and 24, a second stack composed of the elements modular 31, 32 and 33, a third stack composed of the modular elements 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 and 48 is essentially vertically within each modular element and each stack, and essentially vertically at the interface 1 1, 12 between two modular elements of the stack.
  • Each stack is arranged so that the longest edge of the modular elements is parallel to the ground.
  • the first stack 21, 22, 23 and 24 can essentially perform the function of pre-cooling and purification at the head, the second stack 31, 32 and 33 the exchange function and the third battery 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 and 48 the cryogenic distillation function between nitrogen and oxygen.
  • the third stack could be a single column operating at low pressure or a plurality of columns at different pressures, each consisting of a few elements of the stack.
  • the modular elements 1 1 and 12 make it possible in particular to circulate the fluids horizontally through rectangular ducts and / or round pipes so as to transfer the fluids respectively between the first stack 21, 22, 23 and 24 and the second stack 31, 32 and 33, the second stack 31, 32 and 33 and the third stack 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 and 48.
  • the modular elements 1 1 and 12 can also provide process functions and / or controls and / or utilities. For example they may contain control means and / or control and / or analysis and / or instrumentation and / or supply of utilities, such as electricity or air instrument.
  • the modular element 1 1 is placed astride the modular elements 24 and 33, above the first and the second stack, and the modular element 12 placed astride the modular elements 31 and 41 under the second and the third stack.
  • the modular elements 1 1 and 12 preferably comprise intermediate ISO corners 102 to facilitate assembly respectively with the modular elements 24 and 33, with the modular elements 31 and 41.
  • the modular element 1 1, 12 can be isolated in different ways. It can be isolated by depositing an insulator on the outside of the box. It can be insulated by coating the inside of the front and side insulation faces and in addition the upper or lower face if it is exposed. Another possibility is to isolate the at least one pipe or the at least one sheath inside the element 1 1, 12. As the elements 1 1, 12 comprise only two openings, these openings being in the lower face and the upper face respectively, the elements 1 1, 12 serve essentially to transfer a fluid from a stack to the adjacent stack, and possibly to change the flow direction of fluids passing through the stacks. Thus a fluid passing through the first stack from bottom to top can pass through the second stack from top to bottom. Note, however, that a fluid can cross the two batteries in the same direction. For example, a gas passes through the first stack and is sent to the second stack through the element 1 1. Then it goes down to the element 31 via the zone 5 of the elements 33, 32, 31 before being sent to the chamber of the element 31.
  • the column thus formed would have a particularly small height.
  • FIG. 6 differs from FIG. 5 by the addition of a fourth additional stack composed of modular elements 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61 and 62, which in the case separation of air can essentially ensure the function of cryogenic distillation between argon and oxygen.
  • the modular element 43 of Figure 5 has been replaced by the modular element 13 which allows in particular to circulate the fluids horizontally through rectangular ducts and / or round pipes so as to transfer the fluids respectively between the third stack 41 , 42, 44, 45, 46, 47 and 48 and fourth additional stack 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61 and 62.
  • the modular element 13 is placed within the third stack (between the modular element 42 and 44) and within the fourth additional stack (between the modular element 53 and 54).
  • the modular element 13 makes it possible, if necessary, to circulate fluids vertically between the lower part of the third stack 41 and 42, and the upper part of the third stack 44, 45, 46, 47 and 48.
  • the modular element 13 allows in this case to distribute the gas from a single stack on two batteries.
  • a gas of an intermediate point of the third stack, constituting a simple low pressure distillation column is enriched in argon. This gas continues in part its way up the single column, that is to say elements 45 to 48 but is also sent up the fourth additional battery 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61 and 62.
  • Elements 51 to 53 may have several variants. They can be simple supports in which case they do not even contain insulation, being simple empty boxes. They may contain other elements useful for the process, for example pumps.
  • the elements 51 to 53 may be modular elements according to the invention as illustrated in Figures 1 to 4 with a chamber containing a distillation packing body. They may for example form a denitrogenation column, with the pipes containing the argon produced by the element 62 sent through the zones 5 of the elements 62 to 54, the element 13 and the zones 5 of the elements 51 being sent to the element 51 to be distilled therein and to provide a product rich in argon from the element 53.
  • Figure 7a is a front view and Figure 7b is a rear view of the same assembly.
  • the stacks of parallelepiped-shaped modular elements that have at least 8 container-type ISO 101 corners attached to a structure are contiguous along the length of the modular elements, instead of the width.
  • the modular elements 21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 and 48 are of dimension of a container 20 feet. If the invention as directly described in Figure 5 (ie, to have a container that "overlaps" two containers of two adjacent stacks), the modular link elements 11 and 12 of The figure would have a width that is double that of a container format, which does not allow its transport and handling by conventional means.
  • the horizontal connection between the first stack and the second stack, respectively the second stack and the third stack is made using two modular elements 1 1a and 1 1b, respectively 12a and 12b , the width and height being that of a conventional ISO container, and the length adjusted to two standard ISO container widths so as to properly associate with both Battery.
  • This configuration allows its transport and handling by conventional means.
  • connection between the first stack and the second stack could be achieved through a single modular element 11a, and that between the second stack and the third stack to a single modular element 12a, the modular element 12b can be reduced to its only function of structure.
  • Figure 9 illustrates the connection between two batteries, for example the assembly 12 of Figure 5.
  • the modular elements 31 and 41 are arranged on the modular connecting element 12 which is arranged on a non-illustrated support.
  • the element 82 provides both external sealing and continuity of the insulation between the modular element 12 and the modular element 31, respectively 41, as described above.
  • the element 71 symbolizes a fluid sheath (or a pipe) which makes it possible to pass from / to the modular element 31 towards / of the modular element 41 while passing substantially horizontally through the modular element 12, having a vertical transfer from / to the modular element 31, respectively the modular element 41 to / from the modular connecting element 12, the joining plane then being horizontal.
  • the modular element 12 preferably has intermediate ISO corners 102 to facilitate assembly with the modular elements 31 and 41.
  • Figure 10 illustrates (seen from above) an alternative to Figure 9 of a modular connecting element 12.
  • the element 71 is a fluid sheath for moving from one stack to another.
  • Element 72 is a fluid pipe for passing from one stack to another.
  • the spaces 73 and 74 delimited by internal walls and the wall of the insulator 83 make it possible to pass fluids between the two stacks.
  • the modular link element 12 may also contain process equipment: for example, a piece of process equipment 91, such as a material exchange and / or heat exchange body may be delimited by the insulation 83 and an inner wall, or another piece of process equipment 92 with its own container, by example a distillation column.
  • the modular link element 12 can also also contain control functions, instrumentation and / or utilities.
  • the modular element 12 preferably comprises intermediate ISO corners
  • Figure 11 differs from Figure 5 by doubling the second stack into two parallel sub-stacks 31a and 32a, respectively 31b and 32b.
  • the modular elements 12b and 11c allow fluids to be transferred to / from the two sub-stacks, from the modular elements 12a and 11b.
  • Modular element 12c can be reduced to its sole function of structure.
  • the modular element 1 1 a makes it possible to transfer fluids to / from the first stack 21, 22 and 23.
  • the modular elements 11a, 11b, 11c, 12a, 12b and 12c may have the same height as the other modular elements, or preferably a reduced height for example by half, as shown in Figure 1 1.
  • Figure 12 differs from Figure 1 1 by doubling the first stack into 2 parallel sub-stacks 22a and 23a, respectively 22b and 23b.
  • the modular elements 11a and 21 make it possible to transfer fluids to / from the two sub-batteries.
  • FIG. 13 differs from FIG. 5 in that the elements 21, 22, 23 and 24 are larger in size than the modular elements 31 -33 and 41 -48, for example containers 40 'and that the connecting element 1 1 has an intermediate size between 20 'and 40' so as to overlap the two piles 21 -24 and 31 -33.
  • the battery 21 -24 has a different orientation from the other batteries, in particular the adjacent one 31 -33, preferably perpendicular.
  • Figures 14 to 22 describe an example of a life cycle of an apparatus for separating and / or liquefying gas, for example air.
  • the apparatus is constituted at least in part by different parallelepiped-shaped modular elements according to one of FIGS. 1 to 4. which comprises at least 8 ISO 101 container-type wedges fixed on a structure, assembled for example as described above. .
  • Figure 14 illustrates the construction of the apparatus in its initial configuration.
  • the various modular elements A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K and L are of two different sizes.
  • the modular elements all have the same height and width.
  • the modular elements C and E are substantially twice as long as the others.
  • A, L and K may also be substantially twice as long as the others.
  • the modular elements are superimposed on three vertical piles.
  • Each stack consists only of elements of one of two sizes.
  • the modular elements come from a manufacturing center CF and / or a logistics platform PL where several elements of each of the two sizes are stored. There are several copies of each element and each type of body, to replace any faulty element.
  • a quality control process ensures that each modular element is functional,
  • the various modular elements are assembled on site by stacking them to constitute at least a part of the apparatus.
  • the first stack comprises an element A, surmounted by three elements B and a part of the element C.
  • the modular element A may contain an air blower and a pre-cooling, the modular elements B of the adsorbent for purifying the air from the blower in A and the modular element C fluid transfer sheaths from the first stack to the second stack and / or the second stack to the first stack.
  • the modular elements are designed so that the air rises from the lowest modular element B to the middle modular element B and then to the upper modular element B, purifying with water and carbon dioxide. carbon and some of the secondary impurities in the air. Then the purified air of the modular element B from the top is transferred to the sheaths of the modular element C to pass into the second stack. The regeneration nitrogen is transferred by the modular element C of the second stack to the modular elements B.
  • the second stack is placed next to the first stack so that the side walls of the modular elements of the two stacks touch each other, possibly with a small day in between.
  • the second stack comprises a portion of the modular element C containing the sheaths described above, the three modular elements D each containing a heat exchange section, and a portion of the modular element E containing sheaths for transferring to the at least one fluid from the second stack to the third stack and / or at least one fluid from the third stack to the second stack.
  • the purified air passes through the modular elements D to be cooled to a cryogenic temperature and distillation fluids pass from the modular element E to the modular elements D to be heated.
  • the third stack is placed next to the second stack so that the side walls of the modular elements of the two stacks touch each other, possibly with a small day in between.
  • the third stack higher than the other two, comprises at the bottom part of the modular element E with its fluid transfer sheaths.
  • E the modular element F which is a vaporizer.
  • F are superposed the three modular elements G each containing a distillation section.
  • the modular element H contains a condenser and optionally a distillation section and is above the lowest of the modular elements G.
  • the three modular elements I each containing a distillation section.
  • a condenser Above the highest section of the modular element I is a condenser.
  • the modular element K which contains a heat pump for distillation
  • the modular element L which contains a heat pump for the refrigeration balance of the apparatus.
  • the installation of the device is limited to have the modular elements on top of each other and ensure that they are well attached and sealed to each other and that the battery is securely attached to the ground. This can be achieved by unskilled labor.
  • Figure 15 illustrates a first evolution of the apparatus of Figure 14 during its life cycle.
  • a new modular element I containing a distillation column section comes from a manufacturing center CF and / or a logistics platform PL. It is interposed between the upper modular element I and the modular element J, for example to increase the purity of a product. For this it is sufficient to remove the condenser J, to have the new modular element I in place of the condenser and replace the condenser J above the new modular element I. In this way, four modular elements I are superimposed instead three.
  • the modular element I may contain a distillation section for the purpose of producing pure nitrogen ("minaret").
  • a modular distillation element can be omitted.
  • the added or removed modular element may also contain a liquid product pump, a liquefier or a product compressor.
  • Figure 16 illustrates a maintenance of the apparatus of Figure 15 during its life cycle.
  • a functional modular element L comes from a manufacturing center CF and / or a logistics platform PL and replaces the defective modular element L.
  • the defective modular element L is returned to the manufacturing center CF and / or to a logistics platform PL where it can be repaired and made available, or dismantled, possibly recycling part of its components.
  • FIG. 17 illustrates a second evolution of the device of Figure 15 during its life cycle.
  • New modular elements J, F and K come from a manufacturing center CF and / or PL logistics platform and are interposed at different locations of the device, for example to increase the energy efficiency of the device.
  • the energy consumption can for example be reduced on the one hand, by doubling the vaporizer by adding a modular element F and / or by doubling the condenser by adding a modular element J, to reduce the thermal nip of these exchangers, on the other hand, by doubling the heat pump for distillation by adding a modular element K, to operate the pump to heat with better performance.
  • Figure 18 illustrates a third evolution of the apparatus of Figure 17 during its life cycle.
  • New modular elements M, N, O and P come from a manufacturing center CF and / or from a logistics platform PL and are interposed at different locations of the apparatus, for example to produce another product.
  • the new modular elements are arranged to form a fourth stack.
  • the modular element M may contain transfer sheaths and is larger in size.
  • the fourth battery comprises at the bottom the modular element P which contains a pump for raising liquid, then the three superposed modular elements O each containing a distillation section. Part of the modular element M, which is inserted in the third stack is above the upper modular element O. Then above the part of the modular element M present in the fourth stack, there is eight modular elements N superimposed each containing a distillation section.
  • the head of the fourth stack is surmounted by a condenser H, moved from the third existing stack of Figure 17.
  • Figure 19 shows the end of the cycle of the device.
  • At least one of the modular elements A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L , M, N, O, P is returned to the manufacturing center CF and / or to a logistics platform PL where they can be either made available, or modernized or dismantled, possibly recycling part of their components.
  • an item that is no longer required on a first device can be returned to the manufacturing center or the logistics platform, possibly stored on site and sent to a second device when an item need arises.
  • This mode of operation has advantages of speed of intervention, economy of scale and ecological management.

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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

Élément de construction d'un appareil d'échange de masse et/ou de chaleur, assemblage de deux éléments et procédé d'échange utilisant un assemblage 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.
II 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.
II 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.
EP2657633 décrit un élément modulaire dans lequel deux corps d'échange de chaleur sont disposés dans une enceinte isolée. Les deux corps présentent de petites ouvertures sur leur surface supérieure pour permettre le passage d'une conduite.
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
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.
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 de préférence 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 de préférence 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 dans la revendication 3 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) de la revendication 3 et le deuxième élément contient un corps tel que décrit dans la variante i) ou ii) ou iii) de la revendication 3.
- le troisième élément ne contient aucun corps tel que décrit dans variantes i), ii) ou iii) de la revendication 3.
- 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) de la revendication 3, 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 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 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 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.
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 moins 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) décrit dans la revendication 3.
- on assemble une première pile comprenant principalement des éléments de corps du type i) ou du type ii) ou du type iii) comme décrit dans la revendication 3 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 dans la revendication 3 de 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 dans la revendication 3 de 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 taille 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 pour 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 1 1 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 1 a 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 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 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 1 b représente une coupe sur la ligne X-X de la Figure 1 a. 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 distnbuteur 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 1 c montre une variante de l'élément avec une coupe sur la ligne Y-Y de la Figure 1 a. 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 1 d montre une variante de l'élément de la Figure 1 c avec une coupe sur la ligne Z-Z de la Figure 1 a. Ici au lieu d'occuper toute la hauteur de l'élément comme dans le cas le plus fréquent des Figure 1 a, 1 b, 1 c, 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 1 a. 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 inférieur 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 1 a 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 fluide 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 1 a 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 1 a 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 1 1 , 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 1 1 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 composée 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 1 1 , 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 1 1 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 1 1 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 1 1 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 1 1 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 1 1 , 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 1 1 , 12. Comme les éléments 1 1 , 12 ne comprennent que deux ouvertures, ces ouvertures se trouvant dans la face inférieure et la face supérieure respectivement, les éléments 1 1 , 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 1 1 . 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 conteneurs de deux piles adjacentes), les éléments modulaires de liaison 1 1 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 1 1 a et 1 1 b, 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 1 1 a, 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 1 1 a, 1 1 b et 1 1 c, 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 1 1 diffère de la Figure 5 par le doublement de la deuxième pile en deux sous-piles parallèles 31 a et 32a, respectivement 31 b et 32b. Les éléments modulaires 12b et 1 1 c permettent de transférer des fluides vers/de les deux sous- piles, depuis les éléments modulaires 12a et 1 1 b. L'élément modulaire 12c peut être réduit à sa seule fonction de structure. L'élément modulaire 1 1 a permet de transférer des fluides vers/de la première pile 21 , 22 et 23.
Les éléments modulaires 1 1 a, 1 1 b, 1 1 c, 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 1 1 .
La Figure 12 diffère de la Figure 1 1 par le doublement de la première pile en 2 sous-piles parallèles 22a et 23a, respectivement 22b et 23b. Les éléments modulaires 1 1 a 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 1 1 a 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 22 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 dioxyde 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'appareil.
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, M, 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

Revendications
1 . Élément modulaire empilable (10, 1 1 , 1 1 a, 1 1 b, 1 1 c, 12, 12a, 12b, 12c, 13, 20, 21 , 22, 22a, 22b, 23, 23a, 23b, 24, 31 , 31 a, 31 b, 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) 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, 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 (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 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 .
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. 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. 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. 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. Elément selon l'une des revendications précédentes dans lequel une ouverture dans la face supérieure de la chambre (4) communique avec une ouverture dans la face supérieure du caisson (2), les deux ouvertures ayant de préférence substantiellement les mêmes dimensions et/ou une ouverture dans la face inférieure de la chambre communique avec une ouverture dans la face inférieure du caisson, les deux ouvertures ayant de préférence substantiellement les mêmes dimensions.
7. Elément selon la revendication 6 ne comprenant pas d'isolant dans l'espace entre les ouvertures communicantes de la face de la chambre (4) et de la face du caisson (2).
8. Elément selon la revendication 6 ou 7 présentant un espace vide dans l'espace entre les ouvertures communicantes de la face de la chambre (4) et de la face du caisson (2).
9. Élément selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'ouverture dans la face inférieure et/ou la face supérieure du caisson (2) occupe au moins 20% de la surface de la face respective du caisson.
10. Elément selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'ouverture dans la face inférieure et/ou la face supérieure de la chambre (4) 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.
1 1 . Assemblage d'au moins un premier et un deuxième éléments superposés (10, 1 1 , 1 1 a, 1 1 b, 1 1 c, 12, 12a, 12b, 12c, 13, 20, 21 , 22, 22a, 22b, 23, 23a, 23b, 24, 31 , 31 a, 31 b, 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 ) 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 .
12 Assemblage selon la revendication 1 1 dans lequel les éléments (10, 1 1 , 1 1 a, 1 1 b, 1 1 c, 12, 12a, 12b, 12c, 13, 20, 21 , 22, 22a, 22b, 23, 23a, 23b, 24, 31 , 31 a, 31 b, 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)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. 13. 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, 1 1 , 1 1 a, 1 1 b, 1 1 c, 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, M, 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, 1 1 , 1 1 a, 1 1 b, 1 1 c, 12, 12a, 12b, 12c, 13, 31 , 31 a, 31 b, 32, 32a, 32b, 33„ A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, M, 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, 1 1 , 1 1 a, 1 1 b, 1 1 c, 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, M, 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.
14. Procédé d'échange de masse et/ou de chaleur dans un assemblage selon la revendication 11 ou 12 ou un appareil selon la revendication 13 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.
15. 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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