Boîte froide principale de séparation d'air cryogénique

Dans toute unité de séparation d’air cryogénique, la boîte froide principale gère la séparation proprement dite et l’intégration de l’énergie froide. Il ne s'agit pas simplement d'une enceinte en acier isolée. Il contient des colonnes de distillation, des échangeurs de chaleur, des canalisations et une isolation dans une seule structure basse -température. Comprendre ce composant est essentiel pour comprendre la production de gaz industriel.

Aperçu des fonctions

La boîte froide maintient l'oxygène liquide, l'azote liquide et l'argon liquide à des températures aussi basses que -196 degrés à l'intérieur de leurs colonnes respectives tout en minimisant l'infiltration de chaleur externe. Ceci est réalisé grâce à une couche isolante en perlite et une coque conçue pour résister aux cycles thermiques.

Une considération de conception courante : les composants internes sont installés à température ambiante. Lorsque l'unité refroidit jusqu'aux conditions de fonctionnement, le déplacement relatif entre la coque et les colonnes internes peut atteindre plusieurs dizaines de millimètres. Si la conception ne permet pas ce mouvement, les soudures des canalisations peuvent se fatiguer et se fissurer en quelques années, entraînant une perte de froid continue et nécessitant éventuellement un retrait complet de l'isolation et une réparation.

Plage de température

Une glacière correctement conçue fonctionne entre -196 degrés et +50 degrés. Le refroidissement initial de la température ambiante à la température de fonctionnement prend généralement 24 à 48 heures. Ce processus progressif aide à prévenir les dommages dus aux contraintes thermiques sur les garnitures en aluminium et les joints soudés.

Un contrôle pratique sur le terrain : la température de la surface extérieure de la glacière doit être proche de la température ambiante. Si de grandes zones de condensation, de gel ou de froid inhabituel sont observées, l'isolation peut s'être déposée en raison de la pénétration d'humidité ou il peut y avoir une fuite mineure d'un tuyau cryogénique interne. Les deux cas entraînent généralement des coûts d’exploitation plus élevés.

Mesures de performances typiques

Différentes industries ont des exigences de pureté différentes. Le tableau ci-dessous résume les plages courantes.

Consommation d'énergie : pour chaque 1 Nm³ d'oxygène produit à une sortie de 0,5 MPa(g), les unités petites-à-moyennes consomment généralement entre 0,55 et 0,68 kWh. Les grandes installations bénéficient de l'échelle et peuvent réduire cette consommation à 0,40-0,48 kWh. L'efficacité des garnitures structurées, la différence de température moyenne log-de l'échangeur de chaleur principal et les performances d'isolation déterminent ensemble les coûts d'exploitation à long-coûts d'exploitation.

Paramètres techniques clés pour la sélection d'ingénierie

Lors de l’achat ou d’une demande de devis pour une glacière, les paramètres suivants doivent être clairement définis et inclus dans l’accord technique.

• Pression de conception : pression de service de la colonne généralement de 0,6 à 1,6 MPa. La coque de la glacière est maintenue à une légère pression positive (environ 5 kPa) pour empêcher la pénétration d'air humide.
• Limites géométriques : Largeur de transport routier limitée à 4,5 mètres. La hauteur peut être segmentée pour le transport et assemblée verticalement sur site, jusqu'à 60 mètres.
• Matériaux : Shell utilise de l'acier au carbone Q345R à basse température-. La tuyauterie interne en contact avec les fluides cryogéniques doit être en acier inoxydable 304 ou 304L. Les chemins d’oxygène liquide nécessitent de prendre en compte les risques d’accumulation d’hydrocarbures.
• Inspection des soudures : toutes les soudures bout à bout sur les colonnes internes et la tuyauterie principale du processus nécessitent un test radiographique à 100 %, acceptation de niveau II.
• Exigences d'isolation : la perlite doit être compactée après le remplissage, atteignant une densité apparente d'au moins 60 kg/m³, avec un port de décantation-sur le toit de la boîte froide.

Paysage des applications

Ces systèmes sont utilisés dans plusieurs secteurs.

• Sidérurgie et métallurgie : oxygène en vrac pour les hauts fourneaux, azote pour les blindages inertes. Volume élevé, pureté moyenne.
• Produits chimiques et produits chimiques du charbon : usines d'ammoniac, de méthanol, de MEG. Faible tolérance aux temps d’arrêt ; deux années ou plus de fonctionnement continu sont typiques. La fiabilité est essentielle.
• Électronique et solaire : pureté de l'azote de 99,9995 % ou plus, humidité proche de-zéro. La propreté intérieure est une exigence primordiale.
• Agroalimentaire et pharmaceutique : Azote liquide pour surgélation instantanée, oxygène médical. La traçabilité et les certifications des matériaux sont souvent plus importantes que le débit.

Considérations relatives à la sélection des fournisseurs

Pour les acheteurs professionnels, la livraison du matériel n’est que la première étape. Certains fournisseurs incluent des radiateurs antigel électriques-au fond de la glacière. Ils effectuent une analyse des contraintes de tuyauterie à l'aide de CAESAR II avec une vérification section-par-section. La perlite est stratifiée et compactée selon les spécifications. Plus important encore, certains fournisseurs effectuent une analyse locale par éléments finis sur toutes les ouvertures de buses et les soudures d'angle afin de réduire le risque de fissuration sous des charges thermiques cycliques.

Au cours de la phase d’enquête, un fournisseur compétent peut généralement fournir :

• Valeurs de perte de froid
• Courbes de démarrage
• Fiches comparatives des consommations d'énergie

Disposer de ces données permet aux acheteurs d’estimer les coûts d’exploitation avant l’arrivée des équipements sur site.

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