Comment optimiser le refroidissement des réacteurs industriels ?

Intégration de la cryogénie à un réacteur industriel

Pourquoi l’azote liquide a des caractéristiques de refroidissement supérieures aux fluides traditionnels ?

L’azote liquide (-196 °C) garantit un refroidissement quasi immédiat lors de réactions fortement exothermiques. Cette technique utilise la caractéristique technique que présente l’azote de stocker des quantités importantes de frigorie. Contrairement aux solutions avec des systèmes de froid mécaniques, la cryogénie assure une flexibilité et efficacité maximales pour des besoins spots de forte puissance. Il s’agit d’une solution utilisée largement pour la production de composés sensibles.

Comment dimensionner une unité de refroidissement cryogénique de réacteurs ?

Le dimensionnement se base par rapport au calcul du besoin thermique en frigories par rapport au gradient thermique maximal en calories entre le fluide caloporteur avec le milieu réactionnel. De plus, le calcul intègre les caractéristiques thermiques des parois du réacteur au regard de la puissance de la réaction exothermique. Puis le dimensionnement en azote liquide de l’échangeur se réfère à la pression utile pour compenser la contraction des gaz lors du refroidissement.

Cadre réglementaire pour la sécurité des installation de refroidissement à l’azote cryogénique des réacteurs

Quel cadre réglementaire régit le risque principal pour l’utilisation d’azote liquide ?

Lors de l’utilisation d’azote cryogénique dans un échangeur pour refroidir un réacteur, l’azote se vaporise après avoir refroidi le fluide caloporteur. Cet azote gazeux oblige à respecter un cadre sécuritaire strict qui se réfère au risque d’anoxie. Pour garantir la sécurité des travailleurs, des normes strictes régissent ces risques. Elles imposent :

• L’installation de systèmes de détection d'oxygène.
• L’application de procédures rigoureuses, ainsi que la formation du personnel.

Pourquoi l’azote cryogénique favorise la diminution des émissions gaz à effet de serre ?

L’azote liquide permet de réduire efficacement les émissions de gaz à effet de serre, contrairement aux fluides conventionnels utilisés avec la technologie du froid mécanique (CFC par exemple). Son stockage dans des réservoirs cryogéniques ne se réfère pas à une réglementation des substances à impact climatique, ce qui ne nécessite pas de déclarations aux autorités.

Choix de la stratégie de refroidissement du réacteur

Pourquoi choisir pour une double enveloppe compartimentée ?

Les enveloppes compartimentées permettent de sélectionner plus facilement les zones à gradient thermique par rapport au volume de charge. Ce qui optimise le temps de réponse thermique, avec une gestion des frigories dans les zones utiles, plutôt que de refroidir des zones ou il n’y a pas de charge. En chimie , cette flexibilité de fonctionnement a un caractère essentiel pour gérer des réactions à volumes variables avec l’avantage d’avoir un gradient thermique homogène, qui ne présente pas de zones chaudes susceptibles de détériorer le produit ou de compromettre la sécurité du procédé.

Quels avantages présentent les serpentins immergés ?

Les serpentins immergés offrent une surface d’échange directe dans le milieu réactionnel. Utilisés plus particulièrement pour les réactions assez exothermiques où la paroi du réacteur n’apporte plus de réponse. Bien que leur nettoyage présente des contraintes particulières, leur capacité à dissiper l’énergie thermique rapidement favorise leurs applications pour les productions en batch. En zone Europe, leur conception a pour obligation de respecter impérativement la DESP pour garantir l’intégrité des appareils à pression.

Synergie entre refroidissement cryogénique avec l’inertage de cuves de produits

Par quel principe peut on utiliser l’azote liquide pour inerter des réacteurs ?

L'azote liquide a les caractéristiques d'un fluide cryogénique, liquide à -196 °C, il stocke des quantités importantes de frigories ce qui favorise la thermorégulation des fluides caloporteurs. L'azote liquide, utilisé dans l'échangeur, absorbe une quantité d'énergie par la dissipation de frigorie. Les calories produites par la réaction exothermique absorbent ces frigories, ce qui implique une vaporisation de l’azote liquide. L’azote gazeux généré à toutes les caractéristiques utiles pour l’inertage des cuves chimiques de produits liquides ou solides.

La qualité de l’azote gazeux produit répond elle aux standards de qualité pour l’inertage ?

L’azote liquide utilisé pour refroidir les réacteurs présente les caractéristiques d’un produit cryogénique, à savoir peu d’impuretés avec des valeurs strictes de teneur en humidité. Lors de sa vaporisation par l’apport de calories de la réaction exothermique, l’azote gazeux obtenu a une qualité telle que l’on peut inerter tout stockage avec des produits liquides ou solides sans aucune contrainte de qualité. Ce qui présente l’avantage pour la technologie de refroidissement des réacteurs à l’azote liquide par rapport au froid mécanique d’avoir une co-utilisation d’une des utilités dans le cadre d’une application utilisée fréquemment dans le secteur de la chimie.

Avantages du refroidissement cryogénique vs refroidissement mécanique