FR3033395A1 - Procede et appareil de compression d’un gaz - Google Patents

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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

Dans un procédé de compression d'un gaz, un gaz est refroidi, puis condensé pour former un liquide, le liquide est ensuite comprimé, puis réchauffé, réchauffement au cours duquel il est vaporisé, pour former un gaz comprimé, une première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique échangeant de la chaleur entre une première partie du gaz refroidi qui se condense à sa source froide et un fluide de refroidissement externe au procédé qui se réchauffe à sa source chaude, et une deuxième pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique échangeant de la chaleur entre une deuxième partie du gaz refroidi qui se condense à sa source froide et le liquide comprimé qui se vaporise à sa source chaude.

Description

1 La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de compression d'un mélange gazeux, par exemple l'air. Pour produire un gaz sous pression, il est classique d'utiliser un compresseur. Certains gaz comburants, comme l'oxygène, sont coûteux à comprimer dans un compresseur, à cause des solutions techniques mise en oeuvre pour éviter une combustion / explosion du compresseur en cas d'incident. De même, certains gaz légers, comme l'hydrogène ou l'hélium, sont difficiles à comprimer, notamment dans des compresseurs centrifuges plus économiques et plus performants que des compresseurs volumétriques. Pour produire un gaz de l'air sous pression, il est connu de vaporiser un liquide pressurisé soutiré d'une colonne de distillation par échange de chaleur contre un autre gaz pressurisé du procédé, généralement de l'air pressurisé à haute pression. Cette vaporisation s'effectue généralement en envoyant le liquide pressurisé dans au moins un passage d'une ligne d'échange, l'autre gaz pressurisé étant envoyé se refroidir dans au moins un autre passage de cette ligne d'échange, le transfert de chaleur latente de l'autre gaz pressurisé au liquide pressurisé étant indirect, car il s'effectue à travers la paroi du passage. Si le liquide est pressurisé à une pression supercritique, la pseudo-vaporisation remplace la vaporisation. Dans ce qui suit, le terme « vaporisation » couvre également la pseudo-vaporisation. Si l'autre gaz est pressurisé à une pression supercritique, la pseudo-condensation remplace la condensation. Dans ce qui suit, le terme « condensation » couvre également la pseudo-condensation. La réfrigération magnétique repose sur l'utilisation de matériaux magnétiques présentant un effet magnétocalorique. Réversible, cet effet se traduit par une variation de leur température lorsqu'ils sont soumis à l'application d'un champ magnétique externe. Les plages optimales d'utilisation de ces matériaux se situent au voisinage de leur température de Curie (Tc). En effet, plus les variations d'aimantation, et par conséquent les changements d'entropie magnétique, sont élevés, plus les changements de leur température sont élevés. L'effet 3033395 2 magnétocalorique est dit direct lorsque la température du matériau augmente quand il est mis dans un champ magnétique, indirect lorsqu'il se refroidit quand il est mis dans un champ magnétique. La suite de la description sera faite pour le cas direct, mais la transposition au cas indirect est évidente pour l'homme de l'art. Il existe plusieurs 5 cycles thermodynamiques basés sur ce principe. Un cycle classique de réfrigération magnétique consiste i) à magnétiser le matériau pour en augmenter la température ii) à refroidir le matériau à champ magnétique constant pour rejeter de la chaleur iii) à démagnétiser le matériau pour le refroidir et iv) à chauffer le matériau à champ magnétique constant (en général, nul) pour capter la chaleur.
10 Un dispositif de réfrigération magnétique met en oeuvre des éléments en matériau magnétocalorique, qui génèrent de la chaleur lorsqu'ils sont magnétisés et absorbent de la chaleur lorsqu'ils sont démagnétisés. Il peut mettre en oeuvre un régénérateur à matériau magnétocalorique pour amplifier la différence de température entre la « source chaude » et la « source froide » : on parle alors de 15 réfrigération magnétique à régénération active. FR-A-3010511 décrit la vaporisation d'un liquide issu d'une séparation en réduisant le rapport de pression entre le gaz à condenser et le liquide à vaporiser normalement nécessaire pour un échange de chaleur à travers un échangeur, au moins une partie de la chaleur requise pour vaporiser le liquide provient d'une pompe à chaleur 20 utilisant l'effet magnétocalorique. La présente invention consiste à liquéfier le gaz à comprimer, puis à le comprimer à l'aide d'une pompe liquide, et à le vaporiser pour produire le gaz sous pression, en utilisant au moins une pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique. Une pompe à chaleur est un dispositif thermodynamique permettant de 25 transférer une quantité de chaleur d'un milieu considéré comme « émetteur » dit « source froide » d'où l'on extrait la chaleur vers un milieu considéré comme « récepteur » dit « source chaude » où l'on fournit la chaleur, la source froide étant à une température plus froide que la source chaude. Une température ambiante est la température de l'air ambiant dans lequel se 30 situe le procédé, ou encore une température d'un circuit d'eau de refroidissement en lien avec la température d'air.
3033395 3 Une température subambiante est au moins 10°C inférieure à la température ambiante, par exemple inférieure à 0°C. Une température cryogénique est inférieure à -50°C. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de compression d'un gaz 5 dans lequel un gaz est refroidi, puis condensé pour former un liquide, le liquide est ensuite comprimé, puis réchauffé, réchauffement au cours duquel il est vaporisé, pour former un gaz comprimé, caractérisé en ce qu'une première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique échange de la chaleur directement ou indirectement entre une première partie du gaz refroidi qui se condense directement ou 10 indirectement à sa source froide et un fluide de refroidissement externe au procédé qui se réchauffe directement ou indirectement à sa source chaude, et en ce qu'au moins une deuxième pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique échange de la chaleur directement ou indirectement entre au moins une deuxième partie du gaz refroidi qui se condense directement ou indirectement à sa source froide et le liquide 15 comprimé qui se vaporise directement ou indirectement à sa source chaude. Selon d'autres caractéristiques facultatives : - le liquide est constitué par au moins une partie de la première partie du gaz condensé et/ou au moins une partie de la deuxième partie du gaz condensé - la condensation du gaz pour former un liquide s'effectue à une température 20 subambiante, voire cryogénique ; - le fluide de refroidissement externe au procédé est à une température ambiante ; - le fluide de refroidissement externe au procédé est à une température subambiante, voire cryogénique ; 25 - au moins une troisième pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique échange de la chaleur directement ou indirectement entre au moins une troisième partie du gaz refroidi qui se condense directement ou indirectement à sa source froide et le liquide comprimé qui se de-sous-refroidit ou le gaz qui se sur-réchauffe directement ou indirectement à sa source chaude ; 30 - le gaz est refroidi dans un échangeur de chaleur et le liquide comprimé est au moins partiellement, voire totalement réchauffé dans le même échangeur de chaleur; 3033395 4 - l'échangeur de chaleur échange de la chaleur entre seulement le gaz et le liquide comprimé - au moins deux pompes à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique sont combinées en une seule machine ; 5 - le gaz comprimé est de l'air, ou de l'azote, ou de l'oxygène, ou de l'argon, ou du dioxyde de carbone, ou du méthane, ou monoxyde de carbone, ou de l'hydrogène, ou de l'hélium, ou un mélange d'au moins deux de ces composés ; - une partie du liquide peut être soutirée, avant ou après compression, comme produit liquide, et éventuellement être envoyée vers un stockage ; 10 - un fluide, éventuellement issu du gaz à comprimer, est mis en contact direct avec un matériau magnétocalorique d'une des pompes à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique ; - les échanges thermiques sont au moins en partie réalisés entre au moins un fluide, éventuellement issu du gaz à comprimer, et un fluide caloporteur en contact 15 avec un matériau magnétocalorique d'une des pompes à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique à travers un échangeur ; - les échanges thermiques sont au moins en partie réalisé entre au moins un fluide, éventuellement issu du gaz à comprimer, et un fluide caloporteur ayant été en contact avec un matériau magnétocalorique d'une des pompes à chaleur utilisant 20 l'effet magnétocalorique à travers un circuit caloporteur intermédiaire ; Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de compression d'un gaz comprenant un échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer le gaz dans l'échangeur où il se refroidit, des moyens pour condenser le gaz pour former un liquide, des moyens pour comprimer le liquide, des moyens pour envoyer le liquide 25 comprimé dans l'échangeur de chaleur où il se réchauffe, une première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique échangeant de la chaleur directement ou indirectement entre une première partie du gaz refroidi qui se condense directement ou indirectement à sa source froide et un fluide de refroidissement externe au procédé qui se réchauffe directement ou indirectement à sa source chaude, au moins 30 une deuxième pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique échangeant de la chaleur directement ou indirectement entre au moins une deuxième partie du gaz 3033395 5 refroidi qui se condense directement ou indirectement à sa source froide et le liquide comprimé qui se vaporise directement ou indirectement à sa source chaude L'appareil peut comprendre - une pompe de liquide pour comprimer le liquide 5 - des moyens pour soutirer le liquide comprimé partiellement réchauffé à un niveau intermédiaire de l'échangeur de chaleur ; - des moyens pour renvoyer le fluide comprimé à un niveau intermédiaire de l'échangeur de chaleur pour finir son réchauffement ; - des moyens pour combiner au moins deux pompes à chaleur utilisant l'effet 10 magnétocalorique en une seule machine ; - au moins une troisième pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique échangeant de la chaleur directement ou indirectement entre au moins une troisième partie du gaz refroidi qui se condense directement ou indirectement à sa source froide et le liquide comprimé qui se de-sous-refroidit ou le gaz qui se sur-réchauffe 15 directement ou indirectement à sa source chaude ; - des moyens pour soutirer un liquide vers un stockage ; - des moyens pour mettre en contact direct un fluide, éventuellement issu du gaz à comprimer, et un matériau magnétocalorique d'une des pompes à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique; 20 - les échanges thermiques sont au moins en partie réalisés entre au moins un fluide, éventuellement issu du gaz à comprimer, et un fluide caloporteur en contact avec un matériau magnétocalorique d'une des pompes à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique à travers un échangeur ; - les échanges thermiques sont au moins en partie réalisés entre au moins un 25 fluide, éventuellement issu du gaz à comprimer, et le fluide caloporteur ayant été en contact avec un matériau magnétocalorique d'une des pompes à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique à travers un circuit caloporteur intermédiaire ; L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures 1 à 4.
30 Dans la Figure 1, un gaz à comprimer 1 se refroidit dans un échangeur de chaleur 20. Il est ensuite divisé en deux. Une partie 2 sert de source froide pour une 3033395 6 première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 41 et une autre partie 3 sert de source froide pour une deuxième pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 31. La partie 2 se refroidit et se liquéfie par échange de chaleur dans la première 5 pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 41 pour former le liquide 12, un fluide de refroidissement externe au procédé, par exemple l'ambiante, lui servant de source chaude. De même, l'autre partie 3 se refroidit et se liquéfie par échange de chaleur dans la deuxième pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 31 pour former le liquide 13.
10 Les liquides 12 et 13 sont réunis pour former le liquide 60, qui est pressurisé par une pompe 25 et réchauffé partiellement dans l'échangeur de chaleur 20. Ensuite le liquide 60 réchauffé est sorti de l'échangeur de chaleur 20, vaporisé au moins partiellement dans la deuxième pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 31 où il sert de source chaude et renvoyé à l'échangeur de chaleur 20, soit pour terminer 15 la vaporisation et se réchauffer soit uniquement pour se réchauffer. Le gaz 61 ainsi obtenu est le gaz comprimé souhaité. Eventuellement (non représenté sur la Figure 1), une partie du liquide 60 peut être, avant ou après compression dans la pompe 25, extraite sous forme liquide comme produit, et être envoyée par exemple vers un stockage.
20 Dans la Figure 2, à la différence de la Figure 1, le liquide 60 comprimé est d'abord soutiré de l'échangeur de chaleur 20 encore sous-refroidi, puis envoyé dans une deuxième pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 31 où il finit de se dé-sous-refroidir, puis est vaporisé. Le liquide 60 comprimé ainsi vaporisé est ensuite envoyé dans une troisième pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 32 où il 25 est surchauffé, puis retourne ensuite dans l'échangeur de chaleur 20 où il continue à se réchauffer contre le gaz à comprimer 1. Le gaz 61 ainsi obtenu est le gaz comprimé souhaité. Le gaz à comprimer 1 refroidi dans un échangeur de chaleur 20 est divisé en trois. Une partie 2 sert de source froide pour une première pompe à chaleur utilisant 30 l'effet magnétocalorique 41, une autre partie 3 sert de source froide pour la deuxième 3033395 7 pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 31, et une dernière partie 4 sert de source froide pour la troisième pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 32. La partie 2 se refroidit et se liquéfie par échange de chaleur dans la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 41 pour former le liquide 12, un 5 fluide de refroidissement externe au procédé, par exemple l'ambiante, lui servant de source chaude. De même, les autres parties 3 et 4 se refroidissent et se liquéfient par échange de chaleur dans les deuxième et troisième pompes à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 31 et 32 pour former les liquides 13 et 14. Les liquides 12, 13 et 14 sont réunis pour former le liquide 60, qui est pressurisé par une pompe 25 et 10 réchauffé partiellement dans l'échangeur de chaleur 20. Les pompes à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 31 et 32, voire 41 peuvent être combinées en une seule machine. Dans la Figure 3, contrairement à la Figure 2, le liquide 60 comprimé est soutiré de l'échangeur de chaleur 20 juste pour sa vaporisation dans une deuxième pompe à 15 chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 31, liquéfiant une partie 13 du gaz à comprimer 1 refroidi l'échangeur de chaleur 20. Une partie du gaz à comprimer 1 en cours de refroidissement dans l'échangeur de chaleur 20 est soutirée à un niveau de température proche de celui du palier de vaporisation du liquide 60 comprimé, passe à travers une troisième pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 33 où cette 20 partie se réchauffe, la troisième pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 33 liquéfiant une partie 15 du gaz à comprimer 1 refroidi l'échangeur de chaleur 20, puis cette partie retourne de nouveau se refroidir dans l'échangeur de chaleur 20. Une autre partie du gaz à comprimer 1 refroidi l'échangeur de chaleur 20 est soutiréeau bout froid de l'échangeur de chaleur 20, et passe à travers une quatrième pompe à 25 chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 32 où cette autre partie se réchauffe, la quatrième pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 32 liquéfiant une partie 14 du gaz à comprimer 1 refroidi l'échangeur de chaleur 20, puis cette autre partie retourne de nouveau se refroidir dans l'échangeur de chaleur 20. Le reste du gaz à comprimer 1 refroidi l'échangeur de chaleur 20 est condensé pour former le liquide 12 30 dans une première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 41, un fluide de refroidissement externe au procédé, par exemple l'ambiante, lui servant de source 3033395 8 chaude. Les liquides 12, 13, 14 et 15 sont réunis pour former le liquide 60, qui est pressurisé par la pompe 25. Dans la Figure 4, le liquide 60 comprimé dans une pompe 25 est envoyé dans l'échangeur de chaleur 20 où il se dé-sous-refroidit, se vaporise, puis se sur-chauffe.
5 Le gaz 61 ainsi obtenu est le gaz comprimé souhaité. Le gaz à comprimer 1 se refroidit dans l'échangeur de chaleur 20. Une première partie du gaz à comprimer 1 refroidi en sortie de l'échangeur de chaleur 20, encore essentiellement gazeux, est liquéfiée dans un ensemble de pompes à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique A, B, C, D, E, F et G, chaque fluide caloporteur des pompes à chaleur A, B, C, D, E, F et 10 G étant refroidi, du côté de leur source chaude, à un niveau différent de température dans l'échangeur de chaleur 20, par échange de chaleur avec le liquide 60 comprimé. Une deuxième partie du gaz à comprimer 1 refroidi en sortie de l'échangeur de chaleur 20, encore essentiellement gazeux, est liquéfiée dans une pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique H, un fluide de refroidissement externe au procédé, 15 par exemple l'ambiante, lui servant de source chaude. L'ensemble des parties liquéfiées du gaz à comprimer 1 refroidi forme le liquide 60.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de compression d'un gaz dans lequel un gaz (1) est refroidi, puis condensé pour former un liquide (12,13,60), le liquide est ensuite comprimé, puis réchauffé, réchauffement au cours duquel il est vaporisé, pour former un gaz comprimé (61), caractérisé en ce qu'une première pompe à chaleur (41,H) utilisant l'effet magnétocalorique échange de la chaleur directement ou indirectement entre une première partie (2) du gaz refroidi qui se condense directement ou indirectement à sa source froide et un fluide de refroidissement externe au procédé qui se réchauffe directement ou indirectement à sa source chaude, et en ce qu'au moins une deuxième pompe à chaleur (31,A,B,C,D,E,F) utilisant l'effet magnétocalorique échange de la chaleur directement ou indirectement entre au moins une deuxième partie (3) du gaz refroidi qui se condense directement ou indirectement à sa source froide et le liquide comprimé qui se vaporise directement ou indirectement à sa source chaude.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la condensation du gaz (1) pour former un liquide s'effectue à une température subambiante, voire cryogénique.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le fluide de refroidissement externe au procédé est à une température ambiante.
  4. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le fluide de refroidissement externe au procédé est à une température subambiante, voire cryogénique.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une troisième pompe à chaleur (32) utilisant l'effet magnétocalorique échange de la chaleur directement ou indirectement entre au moins une troisième partie (4) du gaz 3033395 10 refroidi qui se condense directement ou indirectement à sa source froide et le liquide comprimé qui se de-sous-refroidit ou le gaz qui se sur-réchauffe directement ou indirectement à sa source chaude. 5
  6. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gaz (1) est refroidi dans un échangeur de chaleur (20) et le liquide comprimé est au moins partiellement, voire totalement réchauffé dans le même échangeur.
  7. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins 10 deux pompes à chaleur (31, 32, 41) utilisant l'effet magnétocalorique sont combinées en une seule machine.
  8. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gaz (1) comprimé est de l'air, ou de l'azote, ou de l'oxygène, ou de l'argon, ou du dioxyde de 15 carbone, ou du méthane, ou monoxyde de carbone, ou de l'hydrogène, ou de l'hélium, ou un mélange d'au moins deux de ces composés
  9. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel une partie du liquide peut être soutirée, avant ou après compression, comme produit liquide, et 20 éventuellement être envoyée vers un stockage.
  10. 10. Appareil de compression d'un gaz (1) comprenant un échangeur de chaleur (20), des moyens pour envoyer le gaz dans l'échangeur de chaleur où il se refroidit, des moyens pour condenser le gaz pour former un liquide, des moyens (25) pour 25 comprimer le liquide, des moyens pour envoyer le liquide comprimé dans l'échangeur de chaleur où il se réchauffe, une première pompe à chaleur (41,H) utilisant l'effet magnétocalorique échangeant de la chaleur directement ou indirectement entre une première partie (2) du gaz refroidi qui se condense directement ou indirectement à sa source froide et un fluide de refroidissement externe au procédé qui se réchauffe 30 directement ou indirectement à sa source chaude, au moins une deuxième pompe à chaleur (31) utilisant l'effet magnétocalorique échangeant de la chaleur directement 3033395 11 ou indirectement entre au moins une deuxième partie (3) du gaz refroidi qui se condense directement ou indirectement à sa source froide et le liquide comprimé qui se vaporise directement ou indirectement à sa source chaude.
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