FR3033397A1 - PROCESS FOR COMPRESSING AND COOLING A GASEOUS MIXTURE - Google Patents
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Abstract
Dans un procédé de compression et de refroidissement d'un mélange gazeux (120)jusqu'à une température finale, le mélange gazeux est refroidi par un fluide (111) issu d'un procédé mettant en œuvre un cycle de réfrigération magnétique active à régénération, le débit moyen de fluide caloporteur circulant à travers au moins un régénérateur (103A) depuis la source chaude vers la source froide étant supérieur au débit moyen de fluide caloporteur circulant à travers au moins un autre régénérateur (103B) depuis la source froide vers la source chaude et la température finale étant supérieure à la température de désublimation d'un constituant du mélange gazeux lors de son refroidissement.In a method of compressing and cooling a gaseous mixture (120) to a final temperature, the gaseous mixture is cooled by a fluid (111) resulting from a process implementing a regenerative active magnetic refrigeration cycle , the average flow rate of heat transfer fluid flowing through at least one regenerator (103A) from the hot source to the cold source being greater than the average flow rate of heat transfer fluid flowing through at least one other regenerator (103B) from the cold source to the hot source and the final temperature being greater than the desublimation temperature of a component of the gas mixture during its cooling.
Description
1 La présente invention est relative à un procédé de compression et de refroidissement. La présente invention est, en particulier, relative à la compression de gaz en association avec un système de réfrigération magnétique active à régénération (en anglais : Active Magnetic Regenerative Refrigeration ou AMRR) pour une utilisation notamment destinée à un procédé de séparation d'un mélange gazeux, par exemple l'air, à température subambiante, voire cryogénique ou à un procédé de liquéfaction de gaz de l'air, par exemple, l'azote, l'oxygène ou l'argon. La température finale atteinte par le refroidissement peut dans certains cas 10 être une température subambiante ou cryogénique. Pour produire un gaz de l'air, il est connu d'utiliser la voie cryogénique et d'utiliser notamment les étapes suivantes : compression de l'air ambiant, épuration de l'air en eau et CO2 par adsorption, refroidissement de l'air dans un échangeur en aluminium brasé jusqu'à une température proche de son point de rosée, séparation 15 par distillation dans une ou plusieurs colonne(s) d'une ou plusieurs fractions enrichies en oxygène et d'une ou plusieurs fraction(s) enrichie(s) en azote, réchauffement de ces fractions à contre-courant de l'air dans l'échangeur en aluminium brasé. Les pourcentages concernant les puretés dans ce document sont des pourcentages molaires. 20 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 25 d'aimantation, et par conséquent les changements d'entropie magnétique, sont élevés, plus les changements de leur température sont élevés. L'effet 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 30 transposition au cas indirect est évidente pour l'homme de l'art. Il existe plusieurs cycles thermodynamiques basés sur ce principe. Un cycle classique de réfrigération 3033397 2 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. 5 Un dispositif de réfrigération est un dispositif thermodynamique permettant de 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.The present invention relates to a method of compression and cooling. The present invention is, in particular, relating to the compression of gas in association with a regenerative active magnetic refrigeration system (in English: Active Magnetic Regenerative Refrigeration or AMRR) for use in particular for a process for separating a mixture gaseous, for example air, subambient or even cryogenic or a process for liquefaction of air gas, for example, nitrogen, oxygen or argon. The final temperature reached by cooling may in some cases be a subambient or cryogenic temperature. To produce an air gas, it is known to use the cryogenic route and use the following steps in particular: compression of the ambient air, purification of the air with water and CO2 by adsorption, cooling of the air air in a brazed aluminum heat exchanger to a temperature close to its dew point, separation by distillation in one or more column (s) of one or more oxygen-enriched fractions and one or more fraction (s) enriched with nitrogen, heating of these fractions against the flow of air in the brazed aluminum exchanger. Percentages for purities in this document are molar percentages. Magnetic refrigeration relies on the use of magnetic materials having a magnetocaloric effect. Reversible, this effect results in a variation of their temperature when they are subjected to the application of an external magnetic field. The optimal ranges of use of these materials are in the vicinity of their Curie temperature (Tc). Indeed, the higher the magnetization variations, and hence the magnetic entropy changes, the higher the changes in their temperature. The magnetocaloric effect is said to be direct when the temperature of the material increases when it is put in a magnetic field, indirect when it cools when it is put in a magnetic field. The remainder of the description will be made for the direct case, but indirect case translation is obvious to those skilled in the art. There are several thermodynamic cycles based on this principle. A typical magnetic refrigeration cycle consists of i) magnetizing the material to increase its temperature, ii) cooling the constant magnetic field material to reject heat, iii) demagnetizing the material to cool it, and iv) to heat the constant magnetic field material (usually zero) to capture the heat. A refrigeration device is a thermodynamic device making it possible to transfer a quantity of heat from a medium considered as a "transmitter", referred to as a "cold source", from which the heat is extracted to a medium considered as a "receiver" said "source where the heat is supplied, the cold source being at a colder temperature than the hot source.
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 réfrigération magnétique active à régénération. Cet effet est décrit dans l'article de Techniques de l'Ingénieur de 2005 de Lebouc intitulé « Réfrigération magnétique ». Il est connu d'utiliser l'effet magnétocalorique pour fournir du froid à un procédé de séparation à température subambiante dans EP-A-2551005, US-A5249424 ou encore US-A-6502404.A magnetic refrigeration device uses elements of magnetocaloric material, which generate heat when magnetized and absorb heat when demagnetized. It can implement a magnetocaloric material regenerator to amplify the temperature difference between the "hot source" and the "cold source": it is called regenerative active magnetic refrigeration. This effect is described in the 2005 Lebouc Engineer's Techniques article entitled "Magnetic Refrigeration". It is known to use the magnetocaloric effect to provide cold to a subambient temperature separation process in EP-A-2551005, US-A5249424 or US-A-6502404.
EP-A-2551005 décrit un système de réfrigération magnétocalorique associé à un procédé de captage de CO2 utilisant un cycle Brayton. Ce brevet pose un problème majeur à savoir comment éviter le dépôt de glace sur les tubes de l'échangeur lorsque l'on abaisse la température en-dessous de la température ambiante (entre 35°C et -4°C) pour atteindre -50°C à -60°C. De telles conditions de 25 fonctionnement sont particulièrement inadaptées à des échangeurs compacts qui ont des diamètres hydrauliques plus faibles que les échangeurs à tubes et calandres. US-A-6502404 décrit plusieurs systèmes de réfrigération magnétique active à régénération appliqué à des procédés cryogéniques mais dans le cas de l'association à un échangeur de chaleur sur un gradient de température important, génère soit des 30 irréversibilités importantes en mélangeant un fluide chaud avec un fluide froid , soit des écarts de températures importants et donc des irréversibilités importantes.EP-A-2551005 discloses a magnetocaloric refrigeration system associated with a CO2 capture process using a Brayton cycle. This patent poses a major problem as to how to avoid the deposition of ice on the tubes of the exchanger when the temperature is lowered below the ambient temperature (between 35 ° C and -4 ° C) to reach -50 ° C. ° C to -60 ° C. Such operating conditions are particularly unsuitable for compact heat exchangers which have smaller hydraulic diameters than tube and shell heat exchangers. US-A-6502404 discloses several regenerative active magnetic refrigeration systems applied to cryogenic processes but in the case of combination with a heat exchanger over a large temperature gradient, generates either substantial irreversibilities by mixing a hot fluid with a cold fluid, ie large temperature differences and therefore significant irreversibilities.
3033397 3 US-A-5249424 décrit un système de réfrigération magnétique active à régénération appliqué à un liquéfacteur d'hydrogène qui permet de résoudre les problèmes d'écart de température. Par contre, la compression du gaz se faisant à très basse température, le rendement global du système de compression (en incluant 5 le système qui sert à produire l'azote liquide) reste faible. La présente invention se propose d'augmenter considérablement le rendement de compression en résolvant les problèmes mentionnés ci-dessus. Notamment, un des objets de l'invention est de proposer un système hybride de compression associant par exemple un compresseur centrifuge multi-étagé à un système de 10 réfrigération magnétique active à régénération de manière à obtenir un rendement exergétique de compression supérieur à 80% (équivalent à un rendement isotherme supérieur à 80%). Une température ambiante est la température de l'air ambiant dans lequel se situe le procédé, ou encore une température d'un circuit d'eau de refroidissement en 15 lien avec la température d'air. 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. La désublimation est le passage de l'état gazeux à l'état solide, sans passer 20 par l'état liquide. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de compression et de refroidissement d'un mélange gazeux comprenant au moins un constituant capable de désublimation, dans lequel le mélange gazeux est refroidi jusqu'à une température finale par un fluide issu d'un procédé mettant en oeuvre un cycle de réfrigération magnétique active à régénération permettant de transférer une quantité de chaleur d'une source froide d'où l'on extrait la chaleur vers une source chaude où l'on fournit la chaleur, la source froide étant à une température plus froide que la source chaude dans lequel un fluide caloporteur circule à travers au moins un premier régénérateur depuis la source chaude vers la source froide et du fluide caloporteur circule à travers au moins un deuxième régénérateur depuis la source froide vers la source chaude et le mélange gazeux est comprimé avant d'être refroidi et/ou après avoir été refroidi dans un étage de compression 3033397 4 caractérisé en ce que : i) le débit moyen de fluide caloporteur circulant à travers l'au moins un premier régénérateur depuis la source chaude vers la source froide est supérieur au débit moyen de fluide caloporteur circulant à travers l'au moins un deuxième 5 régénérateur depuis la source froide vers la source chaude et ii) la température finale est supérieure à la température de désublimation du constituant du mélange gazeux capable de désublimation. Selon d'autres caractéristiques facultatives : le refroidissement du mélange gazeux refroidit le mélange jusqu' à une 10 température supérieure à 0°C ou inférieure à 0°C, subambiante, voire cryogénique, - on enlève de l'eau du dit mélange gazeux par un procédé choisi parmi l'adsorption, l'absorption et/ou la perméation - la température subambiante jusqu'à laquelle le mélange gazeux est refroidi est inférieure à 0°C 15 - le fluide caloporteur issu de la source froide du cycle de réfrigération magnétique active à régénération est un liquide à basse pression, préférentiellement inférieure à 10 bar, voire 5 bar - son rendement exergétique est supérieur à 80%. - le rapport entre la quantité de chaleur Qr lors du refroidissement du fluide et 20 le travail Wc fourni lors de la compression du mélange gazeux en aval ou en amont du refroidissement est compris entre la moitié du rendement exergétique du système de réfrigération et 1 - la puissance Wr fournie au cycle frigorifique pour fournir le refroidissement Qr est très inférieure à la puissance Wc de compression du mélange gazeux en aval 25 ou en amont du refroidissement, notamment inférieure à 20 % voire 15% voire encore 10%. - la température de refoulement de l'étage de compression du mélange gazeux en aval ou en amont du refroidissement est supérieure à la température ambiante - on enlève l'eau par absorption 30 - le procédé est intégré dans un cycle de liquéfaction de type Rankine inversé - le procédé est intégré dans un cycle Brayton inversé. 3033397 5 - le mélange gazeux de l'air - le mélange gazeux est essentiellement de l'azote, pouvant contenir des traces de CO2 et/ou d'eau, par exemple, inférieur à 1 ppm - le mélange gazeux est essentiellement de l'oxygène, pouvant contenir des 5 traces de CO2 et/ou d'eau, par exemple, inférieur à 1 ppm -le mélange gazeux est comprimé dans un compresseur en amont du refroidissement - la température d'entrée du compresseur en amont du refroidissement est supérieure à 0°C, inférieure à 0°C ou cryogénique 10 - le mélange gazeux est comprimé dans un compresseur en aval du refroidissement - la température d'entrée du compresseur en aval du refroidissement est supérieure à 0°C, inférieure à 0°C ou cryogénique Selon un autre aspect de l'invention il est prévu un procédé de liquéfaction 15 et/ou de séparation d'un mélange gazeux, par exemple de l'air comprenant un procédé de compression tel que décrit ci-dessus - dans un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique , la distillation cryogénique s'effectue dans une colonne opérant à une première pression couplée thermiquement à une colonne opérant à une deuxième pression plus base que la 20 première pression, de l'air est comprimé dans n étages de compression jusqu'à la première pression et ensuite est envoyé à la colonne opérant à la première pression, n étant strictement inférieur à 3, c'est-à-dire 1 ou 2. La Figure 1 montre l'état de l'art de la compression sur une usine de séparation des gaz de l'air.US-A-5249424 discloses a regenerative active magnetic refrigeration system applied to a hydrogen liquefier which solves the problems of temperature deviation. On the other hand, since the compression of the gas is at a very low temperature, the overall efficiency of the compression system (including the system used to produce the liquid nitrogen) remains low. The present invention proposes to considerably increase the compression yield by solving the problems mentioned above. In particular, one of the objects of the invention is to propose a hybrid compression system associating, for example, a multi-stage centrifugal compressor with a regenerative active magnetic refrigeration system so as to obtain an exergy yield of compression greater than 80% ( equivalent to an isothermal efficiency higher than 80%). An ambient temperature is the temperature of the ambient air in which the process is located, or a temperature of a cooling water circuit related to the air temperature. A subambient temperature is at least 10 ° C below room temperature, for example below 0 ° C. A cryogenic temperature is below -50 ° C. Desublimation is the transition from the gaseous state to the solid state without going through the liquid state. According to one object of the invention, there is provided a method for compressing and cooling a gaseous mixture comprising at least one component capable of desublimation, in which the gaseous mixture is cooled to a final temperature by a fluid derived from a process employing a regenerative active magnetic refrigeration cycle for transferring a quantity of heat from a cold source from which the heat is extracted to a heat source where the heat is supplied, the cold source being at a temperature colder than the hot source in which a heat transfer fluid circulates through at least a first regenerator from the hot source to the cold source and heat transfer fluid circulates through at least one second regenerator from the cold source to the source hot and the gas mixture is compressed before being cooled and / or after having been cooled in a compression stage 3033397 4 c characterized in that: i) the average flow rate of heat transfer fluid flowing through the at least one first regenerator from the hot source to the cold source is greater than the average flow rate of heat transfer fluid flowing through the at least one second regenerator from the cold source to the hot source and ii) the final temperature is higher than the desublimation temperature of the constituent of the gaseous mixture capable of desublimation. According to other optional features: the cooling of the gaseous mixture cools the mixture up to a temperature above 0 ° C. or below 0 ° C., subambient, or even cryogenic, - said gas mixture is removed from the water by a process chosen from adsorption, absorption and / or permeation - the subambient temperature up to which the gaseous mixture is cooled is less than 0 ° C - the heat transfer fluid from the cold source of the magnetic refrigeration cycle active regeneration is a liquid at low pressure, preferably less than 10 bar or 5 bar - its exergy efficiency is greater than 80%. the ratio between the quantity of heat Qr during the cooling of the fluid and the work Wc supplied during the compression of the gaseous mixture downstream or upstream of the cooling is between half the exergy efficiency of the refrigeration system and 1 - the Wr power supplied to the refrigerating cycle to provide cooling Qr is much lower than the power Wc compression of the gas mixture downstream 25 or upstream of the cooling, in particular less than 20% or even 15% or even 10%. the discharge temperature of the compression stage of the gaseous mixture downstream or upstream of the cooling is greater than the ambient temperature - the water is removed by absorption - the process is integrated in an inverted Rankine liquefaction cycle the process is integrated in an inverted Brayton cycle. The gaseous mixture of the air - the gaseous mixture is essentially nitrogen, which may contain traces of CO2 and / or water, for example, less than 1 ppm - the gaseous mixture is essentially oxygen, which may contain traces of CO2 and / or water, for example, less than 1 ppm -the gaseous mixture is compressed in a compressor upstream of the cooling - the inlet temperature of the compressor upstream of the cooling is higher at 0 ° C, below 0 ° C or cryogenic 10 - the gas mixture is compressed in a compressor downstream of the cooling - the inlet temperature of the compressor downstream of the cooling is greater than 0 ° C, lower than 0 ° C According to another aspect of the invention there is provided a method of liquefying and / or separating a gaseous mixture, for example air comprising a compression process as described above - in a process air separation by cryogenic distillation, the cryogenic distillation is carried out in a column operating at a first pressure thermally coupled to a column operating at a second pressure plus base that the first pressure, air is compressed in n stages of compression to the first pressure and then is sent to the column operating at the first pressure, n being strictly less than 3, that is to say 1 or 2. Figure 1 shows the state of the art of compression on a factory separation of gases from the air.
25 La Figure 2 montre une première variante de l'invention. La Figure 3 montre une seconde variante de l'invention. La Figure 4 montre la comparaison entre le rendement exergétique selon l'invention comparé à l'état de l'art. La Figure 1 qui est décrite dans le brevet FR-2777641 illustre une installation 1 30 de distillation d'air avec production d'argon. Cette installation 1 comprend essentiellement une double colonne 2 de distillation d'air, une colonne 3 de 3033397 6 production d'argon impur dite colonne de mixture, une colonne 4 de production d'argon pur dite colonne de déazotation, une ligne principale d'échange thermique 5, un compresseur principal d'air à distiller 6 et un appareil d'épuration d'air à distiller 7. La double colonne 2 comprend une colonne moyenne pression 8, fonctionnant 5 sous une moyenne pression par exemple de 5 bars absolus, une colonne basse pression 9, fonctionnant sous une basse pression inférieure à la moyenne pression, par exemple une pression légèrement supérieure à 1 bar absolu, et un vaporiseurcondenseur principal 10. La colonne 3 de production d'argon impur comprend un condenseur de tête 12 10 pour condenser partiellement l'argon impur de tête de la colonne 3. La colonne 4 de production d'argon pur comprend un condenseur de tête 13 et un vaporiseur de cuve 14. Une conduite de gaz 16, dite de piquage argon relie un point intermédiaire de la colonne basse pression 9 à la cuve de la colonne 3 de production d'argon impur, 15 du fond de laquelle une conduite de retour de liquide 17 rejoint la colonne 9, à peu près au même niveau que la conduite 16. Une conduite de gaz 19 relie une sortie du condenseur de tête 12 de la colonne 3 à un niveau intermédiaire de la colonne 4 de production d'argon à peu près pur. Cette conduite soutire la partie non-condensée dans le condenseur 12 de l'argon 20 impur de tête de la colonne 3. Cette conduite 19 traverse successivement depuis la colonne 3, un échangeur de chaleur 20, pour condenser l'argon impur gazeux, et une vanne de détente 21, pour détendre cet argon impur condensé. L'air gazeux à distiller est comprimé par le compresseur 6 dans cet exemple un compresseur centrifuge MAC à 3 étages 6A, 6B et 6C, chacun suivi de 3 25 réfrigérants à eau 106A, 106B et 106C. L'eau (non représentée) évacue la chaleur de compression en s'échauffant et est ensuite refroidie dans une tour atmosphérique (non représentée) au contact direct de l'air ambiant à une température proche mais typiquement supérieure de 5°C de la température humide de l'air ambiante. L'air gazeux comprend de l'eau et du CO2 lors de sa compression dans le 30 compresseur 6. L'air gazeux comprimé est ensuite épuré en eau et en CO2, par exemple par adsorption, dans l'appareil 7, est divisé en deux flux primaires. Ces flux 3033397 7 primaires contiennent de très petites quantités d'eau et de dioxyde de carbone, par exemple moins que 0,1ppm pour une percée d'impureté, soit en moyenne moins de 5ppb de chaque impureté. Le premier flux primaire d'air est refroidi dans la ligne principale d'échange 5 thermique 5 puis divisé en deux flux secondaires. Le premier flux secondaire est injecté en cuve de la colonne moyenne pression au voisinage de son point de rosée. Le deuxième flux secondaire est envoyé vers le vaporiseur 14 de cuve de la colonne 4 de production d'argon pur, où ce deuxième flux secondaire est liquéfié en vaporisant l'argon de cuve de cette colonne 4. Le liquide ainsi produit est envoyé par 10 une conduite 23 vers la cuve de la colonne moyenne pression 8. Le deuxième flux primaire d'air comprimé et épuré est comprimé par un compresseur BAC 230 dans cet exemple, un compresseur centrifuge à 4 étages 230A, 230B, 230C et 230D, chacun suivi d'un réfrigérant à eau 232A, 232B, 232C et 232D. L'eau (non représentée) évacue la chaleur de compression en s'échauffant et 15 est ensuite refroidie dans une tour atmosphérique (non représentée) au contact direct de l'air ambiant à une température proche mais typiquement supérieure de 5°C de la température humide de l'air ambiante. Ce deuxième flux primaire d'air est ensuite liquéfié à la traversée de la ligne principale d'échange thermique 5 et détendu dans une vanne de détente 231 sensiblement jusqu'à la pression régnant dans la colonne 20 moyenne pression 8. Une première partie de ce flux est alors injectée à un niveau intermédiaire de la colonne moyenne pression 8. L'autre partie de ce flux est sous-refroidie à la traversée d'un échangeur de chaleur 24, puis détendue dans une vanne de détente 240 et injectée à niveau intermédiaire de la colonne basse pression 9. Le vaporiseur-condenseur 10 vaporise de l'oxygène liquide en cuve de la 25 colonne basse pression 9 par condensation d'azote de tête de la colonne moyenne pression 8. Du liquide riche (enrichi en oxygène) LR est soutiré de la cuve de la colonne moyenne pression 8, puis sous-refroidi dans l'échangeur de chaleur 24 et enfin divisé en deux flux. Le premier flux est envoyé, après détente dans une vanne de détente 30 25, vers un niveau intermédiaire de la colonne basse pression 9. Le deuxième flux est envoyé, après détente dans une vanne de détente 26 vers le condenseur 12 de 3033397 8 tête de la colonne 3 de production d'argon impur, où ce deuxième flux est vaporisé par condensation d'argon impur de tête de la colonne 3. Le gaz ainsi produit est renvoyé, via une conduite 27, dans la colonne basse pression 9 à un niveau intermédiaire inférieur à celui d'injection du premier flux du liquide riche.Figure 2 shows a first variant of the invention. Figure 3 shows a second variant of the invention. Figure 4 shows the comparison between the exergy yield of the invention compared to the state of the art. Figure 1 which is described in FR-2777641 illustrates an air distillation plant 1 with argon production. This plant 1 essentially comprises a double column 2 for the distillation of air, a column 3 for producing impure argon, said column of mixture, a column 4 for producing pure argon, said denitrogenation column, a main line of heat exchange 5, a main air compressor 6 to be distilled and an air purification apparatus to be distilled 7. The double column 2 comprises a medium pressure column 8 operating at an average pressure, for example 5 bar absolute, a low pressure column 9, operating at a low pressure lower than the average pressure, for example a pressure slightly greater than 1 bar absolute, and a main evaporator 10. The impure argon production column 3 comprises a top condenser 12 to partially condense the impure argon at the top of the column 3. The pure argon production column 4 comprises a top condenser 13 and a tank vaporizer 14. A gas line 16, said The argon quencher connects an intermediate point of the low pressure column 9 to the tank of the impure argon production column 3, from the bottom of which a liquid return line 17 joins the column 9, at approximately the same temperature. The line 16 connects an outlet of the overhead condenser 12 of the column 3 to an intermediate level of the substantially pure argon production column 4. This pipe withdraws the non-condensed part in the condenser 12 from the impure argon at the top of the column 3. This pipe 19 passes successively from the column 3, a heat exchanger 20, for condensing the gaseous impure argon, and an expansion valve 21, to relax this condensed impure argon. The gaseous air to be distilled is compressed by the compressor 6 in this example a 3-stage MAC centrifugal compressor 6A, 6B and 6C, each followed by 3 water coolers 106A, 106B and 106C. The water (not shown) evacuates the heat of compression by heating up and is then cooled in an atmospheric tower (not shown) in direct contact with the ambient air at a close temperature but typically greater than 5 ° C. humid ambient air. The gaseous air comprises water and CO2 as it is compressed in the compressor 6. The compressed gaseous air is then purified with water and CO2, for example by adsorption, in the apparatus 7, is divided into two primary streams. These primary streams contain very small amounts of water and carbon dioxide, for example less than 0.1 ppm for an impurity breakthrough, averaging less than 5 ppm of each impurity. The first primary air stream is cooled in the main heat exchange line 5 and then divided into two secondary streams. The first secondary stream is injected into the vat of the medium pressure column near its dew point. The second secondary stream is sent to the vessel vaporizer 14 of the pure argon production column 4, where this second secondary stream is liquefied by vaporizing the bottom argon of this column 4. The liquid thus produced is sent by 10 a line 23 to the tank of the medium pressure column 8. The second primary flow of compressed and purified air is compressed by a compressor BAC 230 in this example, a centrifugal compressor 4 stages 230A, 230B, 230C and 230D, each followed a water cooler 232A, 232B, 232C and 232D. The water (not shown) exhausts the heat of compression by heating up and is then cooled in an atmospheric tower (not shown) in direct contact with ambient air at a near temperature but typically greater than 5 ° C. humid temperature of the ambient air. This second primary flow of air is then liquefied at the crossing of the main heat exchange line 5 and expanded in an expansion valve 231 substantially until the pressure prevailing in the medium pressure column 8. A first part of this flow is then injected at an intermediate level of the medium pressure column 8. The other part of this flow is sub-cooled through a heat exchanger 24, then expanded in an expansion valve 240 and injected at intermediate level 9. The vaporizer-condenser 10 vaporizes liquid oxygen in the bottom of the low pressure column 9 by condensing nitrogen at the top of the medium pressure column 8. Rich liquid (enriched with oxygen) LR is withdrawn from the tank of the medium pressure column 8, then subcooled in the heat exchanger 24 and finally divided into two streams. The first flow is sent, after expansion in an expansion valve 30 25, to an intermediate level of the low pressure column 9. The second flow is sent, after expansion in an expansion valve 26 to the condenser 12 of 3033397 8 head of column 3 for the production of impure argon, where this second stream is vaporized by condensation of impure argon at the top of column 3. The gas thus produced is returned, via line 27, to the low pressure column 9 at one level. intermediate lower than that of injection of the first flow of the rich liquid.
5 Du liquide pauvre (azote à peu près pur) LP est prélevé dans la partie supérieure de la colonne moyenne pression 8, puis sous-refroidi dans l'échangeur de chaleur 24, et enfin divisé en trois flux. Le premier flux est détendu dans une vanne de détente 30 puis injecté au sommet de la colonne basse pression 9. Le deuxième flux est détendu dans une vanne de détente 31 puis vaporisé dans l'échangeur de 10 chaleur 20, en condensant l'argon impur canalisé par la conduite 19, puis ce flux vaporisé est à nouveau détendu dans une vanne de détente 32. Ce deuxième flux est ensuite renvoyé par une conduite de résiduaire 33 vers l'échangeur de chaleur 24, où ce deuxième flux est réchauffé en refroidissant les liquides LP et LR traversant l'échangeur 24. Ce deuxième flux est enfin envoyé vers la ligne principale d'échange 15 thermique 5, où ce deuxième flux est réchauffé en participant au refroidissement de l'air à distiller. Le troisième flux de liquide pauvre est détendu dans une vanne de détente 34 avant d'être envoyé vers le condenseur 13 de tête de la colonne 4 de production d'argon pur, où ce troisième flux est vaporisé par condensation de l'azote impur de tête de la colonne 4. Le gaz ainsi produit est envoyé, après détente dans 20 une vanne de détente 35, dans la conduite de résiduaire 33 pour être réchauffé d'une part dans l'échangeur de chaleur 24 en assurant le refroidissement des liquides LP et LR et, d'autre part, dans la ligne principale d'échange thermique 5 en participant au refroidissement de l'air à distiller. De l'azote impur ou résiduaire NR, soutiré du sommet de la colonne basse 25 pression 9, est envoyé vers la conduite de résiduaire 33, où cet azote impur est réchauffé à la traversée de l'échangeur de chaleur 24, puis de la ligne principale d'échange thermique 5. De l'oxygène liquide OL, soutiré en cuve de la colonne basse pression 9, est pompé par une pompe 37 puis envoyé par une conduite 38 vers la ligne principale 30 d'échange thermique 5, où cet oxygène liquide est vaporisé en participant au refroidissement de l'air à distiller.Lean liquid (approximately pure nitrogen) LP is taken from the upper part of the medium pressure column 8, then subcooled in the heat exchanger 24, and finally divided into three streams. The first stream is expanded in an expansion valve 30 and then injected at the top of the low pressure column 9. The second stream is expanded in an expansion valve 31 and then vaporized in the heat exchanger 20, condensing the impure argon channelized by the pipe 19, then this vaporized stream is again expanded in an expansion valve 32. This second stream is then returned by a waste pipe 33 to the heat exchanger 24, where the second stream is heated by cooling the Liquid LP and LR passing through the exchanger 24. This second stream is finally sent to the main heat exchange line 5, where the second stream is heated by participating in the cooling of the air to be distilled. The third stream of lean liquid is expanded in an expansion valve 34 before being sent to the top condenser 13 of the pure argon production column 4, where this third stream is vaporized by condensation of the impure nitrogen of 4. The gas thus produced is sent, after expansion into an expansion valve 35, into the waste pipe 33 to be heated on the one hand in the heat exchanger 24 while cooling the LP liquids. and LR and, on the other hand, in the main heat exchange line 5 by participating in the cooling of the air to be distilled. Impure or residual nitrogen NR, withdrawn from the top of the low pressure column 9, is sent to the waste pipe 33, where this impure nitrogen is heated through the heat exchanger 24, then from the line main heat exchange 5. OL liquid oxygen, withdrawn in the bottom of the low pressure column 9, is pumped by a pump 37 and then sent via a pipe 38 to the main line 30 of heat exchange 5, where this oxygen liquid is vaporized by participating in the cooling of the air to be distilled.
3033397 9 De l'azote gazeux moyenne pression NGNP est prélevé en tête de la colonne moyenne pression 8 puis envoyé via une conduite 39 vers la ligne d'échange thermique 5 pour participer au refroidissement de l'air à distiller. En une région intermédiaire de cette ligne d'échange thermique 5, l'azote gazeux moyenne pression 5 est divisé en deux flux. Le premier flux traverse le reste de la ligne 5 où il est réchauffé puis il est distribué par une conduite de production 40, par exemple pour alimenter une installation consommatrice 140. Le deuxième flux est détendu dans une turbine 41 puis envoyé vers la conduite de résiduaire 33 au bout froid de la ligne d'échange thermique 5, pour participer à nouveau au refroidissement de l'air à 10 distiller. De l'azote liquide moyenne pression NLMP est soutiré en tête de la colonne moyenne pression 8 puis envoyé via une conduite 43 vers l'échangeur de chaleur 24, où cet azote liquide est sous-refroidi par réchauffement des gaz résiduaires canalisés par la conduite de résiduaire 33. Cet azote liquide est ensuite distribué, en alimentant 15 par exemple, après détente dans une vanne de détente 143, un réservoir de stockage 144. De l'argon liquide à peu près pur ArL est soutiré en cuve de la colonne 4 puis distribué par une conduite de production 45. De l'azote impur ou résiduaire est prélevé en tête de la colonne 4 puis évacué par une conduite 46.The medium pressure nitrogen gas NGNP is taken at the top of the medium pressure column 8 and then sent via a pipe 39 to the heat exchange line 5 to participate in the cooling of the air to be distilled. In an intermediate region of this heat exchange line 5, the medium pressure nitrogen gas 5 is divided into two streams. The first flow crosses the rest of the line 5 where it is heated then it is distributed by a production line 40, for example to feed a consumer installation 140. The second flow is expanded in a turbine 41 and sent to the waste pipe 33 at the cold end of the heat exchange line 5, to participate again in cooling the air to be distilled. NLMP medium pressure liquid nitrogen is withdrawn at the top of the medium pressure column 8 and then sent via a pipe 43 to the heat exchanger 24, where the liquid nitrogen is sub-cooled by heating the waste gases channeled by the pipe of This liquid nitrogen is then dispensed, for example by supplying, after expansion in an expansion valve 143, a storage tank 144. Arl about pure liquid argon is withdrawn in the vat of column 4 and then distributed by a production pipe 45. Impure or waste nitrogen is taken at the top of the column 4 and then discharged via a pipe 46.
20 L'installation 1 comprend en outre une conduite de dérivation 48 dont l'entrée 49 est raccordée à la conduite 19, entre l'échangeur de chaleur 20 et la vanne de détente 21, et dont la sortie 50 débouche dans la conduite de résiduaire 33, juste en amont de l'échangeur de chaleur 24. L'exemple de la Figure 1 montre un procédé utilisant une surpression d'air 25 utilisant un surpresseur 230 dont la température d'entrée est relativement chaude, appelé « surpresseur chaud ». Par contre, il est bien connu de surpresseur une partie de l'air d'alimentation utilisant un surpresseur avec une température d'entrée qui est une température en dessous de 0°C, voire cryogénique, appelée « surpresseur froid ». Par exemple, une partie de l'air peut être soutirée de l'échangeur 5, 30 surpressée et renvoyée dans l'échangeur avant d'être envoyée à la distillation.The installation 1 further comprises a bypass line 48 whose inlet 49 is connected to the pipe 19, between the heat exchanger 20 and the expansion valve 21, and whose outlet 50 opens into the waste pipe. 33, just upstream of the heat exchanger 24. The example of Figure 1 shows a method using an air overpressure using a booster 230 whose inlet temperature is relatively hot, called "hot booster". On the other hand, it is well known to booster part of the supply air using a booster with an inlet temperature which is a temperature below 0 ° C, or even cryogenic, called "cold booster". For example, a part of the air can be withdrawn from the exchanger 5, 30 supercharged and returned to the exchanger before being sent to the distillation.
3033397 10 Il est également connu de comprimer un gaz issu de la distillation dans un compresseur dont la température d'entrée est en dessous de 0°C, voire cryogénique, par exemple un compresseur froid d'azote. La Figure 2 représente un premier mode de réalisation de l'invention. Le 5 procédé de la Figure 2 représente un procédé de compression avec une étape de refroidissement en amont et/ou en aval de la compression. En d'autres termes, le compresseur 130 ou le compresseur 131 peut être facultatif. Un mélange gazeux 119 est comprimé dans un étage n de compresseur 130 pour donner un fluide 120 qui est refroidi dans un échangeur de chaleur 102 à une température inférieure à la 10 température humide (en anglais « wet bulb temperature ») de l'air pour donner un fluide 121 qui est ensuite comprimé dans un étage n+1 de compression 131 pour former un fluide comprimé 122. Le fluide frigorigène 111 de l'échangeur 102 est issu d'un système de réfrigération magnétique active à régénération (en anglais : Active Magnetic Regenerative Refrigeration ou AMRR) qui va maintenant être décrit. Un 15 fluide caloporteur 110 à une température proche de la température ambiante est orienté par un dispositif d'inversion qui fonctionne typiquement à une fréquence située entre 1 et 10 Hz. Le fluide frigorigène se réchauffe dans l'échangeur 102 pour former le débit 113 qui est renvoyé vers le système de réfrigération magnétique. Dans un premier mode alterné, le fluide caloporteur 110 passe par la vanne 20 106A puis parcourt un premier régénérateur 103A constitué de lames de matériaux magnétocaloriques qui vient d'être démagnétisé c'est-à-dire refroidi. A la sortie de 103A, le fluide caloporteur est divisé en un première partie 111 qui constitue une fraction faible du débit 110, typiquement entre quelques pourcents et 15%, et une seconde partie qui va évacuer la chaleur d'un second régénérateur 103B qui vient 25 d'être magnétisé c'est-à-dire réchauffé par des aimants 104A et 104B de part et d'autre des matériaux magnétocaloriques du régénérateur placés dans l'entrefer. Le fluide sortant du régénérateur 1036 passe par la vanne 1056 et devient le fluide 114 qui est mélangé avec le fluide 113 provenant de l'échangeur 102. Le mélange formé 115 passe dans une pompe de circulation 109 pour donner un fluide 116 qui va être 30 refroidi par le milieu ambiant par exemple dans un aéroréfrigérant hybride 101 dans lequel on introduit de l'air ambiant 130 qui se réchauffe éventuellement en présence 3033397 11 d'eau fonctionnant en aéroréfrigérant évaporatif pour donner de l'air humide chaud 131. Les vannes 105A et 106B sont fermées. Dans un deuxième mode alterné (non représenté), le fluide caloporteur 110 passe par la vanne 106B puis parcourt le second régénérateur 103B constitué de 5 lames de matériaux magnétocaloriques qui vient d'être démagnétisé c'est-à-dire refroidi. A la sortie de 1036, le fluide caloporteur est divisé en un première partie 111 qui constitue une fraction faible du débit 110, typiquement entre quelques pourcents et 15%, et une seconde partie qui va évacuer la chaleur du premier régénérateur 103A qui vient d'être magnétisé c'est-à-dire réchauffé par des aimants 104A et 104B 10 de part et d'autre des matériaux magnétocaloriques du régénérateur placés dans l'entrefer. Le fluide sortant du premier régénérateur 103A passe par la vanne 105A et devient le fluide 114 qui est mélangé avec le fluide 113 provenant de l'échangeur 102. Le mélange 115 passe dans une pompe de circulation 109 pour donner un fluide 116 qui va être refroidi par le milieu ambiant par exemple dans un aéroréfrigérant 15 hybride 101 dans lequel on introduit de l'air ambiant 130 qui se réchauffe éventuellement en présence d'eau fonctionnant en aéroréfrigérant évaporatif pour donner de l'air humide chaud 131. Les vannes 1056 et 106A sont fermées. Le fluide 116 réchauffé dans le refroidisseur 101 est le fluide caloporteur 110. L'homme de l'art reconnaîtra ici que de nombreuses variantes de l'invention 20 sont possibles. Le matériau magnétocalorique peut être sous forme de poudre, de billes, d'ondes de différentes géométries, de plaques... Le système d'inversion peut être constitué de vannes deux voies ou multivoies, de clapets anti-retour, de clapets actionnés mécaniquement, électriquement... Le nombre de régénérateurs en parallèle peut être entre 1 (système « lot » (en anglais « batch ») avec stockage du 25 fluide caloporteur) et plusieurs milliers. La Figure 3 représente un deuxième mode de réalisation de l'invention. Un fluide 120 est refroidi dans un échangeur de chaleur 102 à une température inférieure à la température humide de l'air pour donner un fluide 121. Dans un premier cas, le fluide 120 correspond au mélange gazeux et comprend un composant capable de 30 désublimer. Soit le mélange gazeux 120 est comprimé en amont de l'échangeur de chaleur 121 soit le fluide 121 est comprimé en aval de l'échangeur de chaleur 121, 3033397 12 soit les deux. Dans ce premier cas, la température finale du refroidissement dans l'échangeur 102 est supérieure à la température de désublimation d'un composant présent dans le mélange gazeux 120 comprimé ou à comprimer. Dans un deuxième cas, le fluide 121 n'est pas le mélange gazeux sert 5 indirectement à refroidir un autre fluide, constituant le mélange gazeux, qui sera comprimé à partir d'une température inférieure à la température humide de l'air mais supérieure à la température de désublimation d'un composant présent dans le mélange gazeux. Puisque le mélange gazeux contient le composant susceptible de désublimer, le refroidissement du mélange gazeux par le fluide 121 ne doit pas 10 atteindre une température égale ou inférieure à la température de désublimation. Par contre le refroidissement dans l'échangeur de chaleur 102 peut atteindre une température inférieure à la température de désublimation, en supposant que le fluide 121 ne contient pas de composant susceptible de désublimer. Le fluide frigorigène 111 de l'échangeur 102 est issu d'un système de 15 réfrigération magnétique active à régénération (en anglais : Active Magnetic Regenerative Refrigeration ou AMRR) qui va maintenant être décrit. Un fluide caloporteur 110 à une température proche de la température ambiante est orienté par un dispositif d'inversion qui fonctionne typiquement à une fréquence située entre 1 et 10 Hz.It is also known to compress a gas resulting from the distillation in a compressor whose inlet temperature is below 0 ° C., or even cryogenic, for example a cold nitrogen compressor. Figure 2 shows a first embodiment of the invention. The process of Figure 2 represents a compression process with a cooling step upstream and / or downstream of the compression. In other words, the compressor 130 or the compressor 131 may be optional. A gas mixture 119 is compressed in a stage n of compressor 130 to give a fluid 120 which is cooled in a heat exchanger 102 to a temperature below the wet bulb temperature of the air. to give a fluid 121 which is then compressed in a n + 1 compression stage 131 to form a compressed fluid 122. The refrigerant 111 of the exchanger 102 is derived from a regenerative active magnetic refrigeration system (in English: Active Magnetic Regenerative Refrigeration or AMRR) which will now be described. A heat transfer fluid 110 at a temperature near room temperature is oriented by an inverting device which typically operates at a frequency of between 1 and 10 Hz. The refrigerant heats up in the exchanger 102 to form the flow 113 which is returned to the magnetic refrigeration system. In a first alternating mode, the heat transfer fluid 110 passes through the valve 106A then travels a first regenerator 103A consisting of magnetocaloric material blades which has just been demagnetized, that is to say cooled. At the outlet of 103A, the heat transfer fluid is divided into a first portion 111 which constitutes a small fraction of the flow rate 110, typically between a few percent and 15%, and a second portion which will evacuate the heat of a second regenerator 103B which comes 25 to be magnetized, that is to say heated by magnets 104A and 104B on either side of the magnetocaloric materials of the regenerator placed in the air gap. The fluid leaving the regenerator 1036 passes through the valve 1056 and becomes the fluid 114 which is mixed with the fluid 113 from the exchanger 102. The formed mixture 115 passes into a circulation pump 109 to give a fluid 116 which will be 30 cooled by the ambient medium, for example in a hybrid air cooler 101 into which ambient air 130 is introduced which is optionally heated in the presence of water operating in evaporative air-cooling to give hot moist air 131. The valves 105A and 106B are closed. In a second alternate mode (not shown), the heat transfer fluid 110 passes through the valve 106B and then travels the second regenerator 103B consisting of 5 blades of magnetocaloric materials which has just been demagnetized, that is to say cooled. At the outlet of 1036, the coolant is divided into a first portion 111 which constitutes a small fraction of the flow rate 110, typically between a few percent and 15%, and a second portion which will evacuate the heat of the first regenerator 103A which has just to be magnetized, that is to say heated by magnets 104A and 104B on either side of the magnetocaloric materials of the regenerator placed in the air gap. The fluid leaving the first regenerator 103A passes through the valve 105A and becomes the fluid 114 which is mixed with the fluid 113 from the exchanger 102. The mixture 115 passes into a circulation pump 109 to give a fluid 116 which will be cooled by the ambient medium, for example in a hybrid air cooler 101 into which ambient air 130 is introduced, which is optionally heated in the presence of water operating in evaporative air-cooling to give hot moist air 131. The valves 1056 and 106A are closed. The fluid 116 heated in the cooler 101 is the coolant 110. One skilled in the art will recognize here that many variations of the invention are possible. The magnetocaloric material may be in the form of powder, beads, waves of different geometries, plates, etc. The inversion system may consist of two-way or multi-way valves, non-return valves, mechanically actuated valves. Electrically, the number of regenerators in parallel can be between 1 ("batch" system (in English "batch") with storage of the coolant) and several thousand. Figure 3 shows a second embodiment of the invention. A fluid 120 is cooled in a heat exchanger 102 at a temperature below the humid temperature of the air to give a fluid 121. In a first case, the fluid 120 corresponds to the gaseous mixture and comprises a component capable of desubling. Either the gas mixture 120 is compressed upstream of the heat exchanger 121 or the fluid 121 is compressed downstream of the heat exchanger 121, or both. In this first case, the final temperature of the cooling in the exchanger 102 is greater than the desublimation temperature of a component present in the gaseous mixture 120 compressed or to be compressed. In a second case, the fluid 121 is not the gas mixture used indirectly to cool another fluid, constituting the gaseous mixture, which will be compressed from a temperature below the humid temperature of the air but greater than the desublimation temperature of a component present in the gas mixture. Since the gaseous mixture contains the component capable of desubliming, the cooling of the gaseous mixture by the fluid 121 must not reach a temperature equal to or lower than the desublimation temperature. By against the cooling in the heat exchanger 102 can reach a temperature below the desublimation temperature, assuming that the fluid 121 does not contain a component capable of desublimer. The refrigerant 111 of exchanger 102 is derived from an Active Magnetic Regenerative Refrigeration (AMRR) refrigeration system which will now be described. A coolant 110 at a temperature near room temperature is oriented by an inverting device which typically operates at a frequency between 1 and 10 Hz.
20 Dans un premier mode alterné, le fluide caloporteur 110 passe par la vanne 106A puis parcourt un premier régénérateur 103A constitué de lames de matériaux magnétocaloriques qui vient d'être démagnétisé c'est-à-dire refroidi. A la sortie de 103A, le fluide caloporteur passe dans la vanne 107A pour donner le fluide 111 qui est introduit dans l'échangeur 102 puis divisé en un première partie 113 qui constitue 25 une fraction faible du débit 110, typiquement entre quelques pourcents et 15%, et une seconde partie 112 qui passe par la vanne 108B et va évacuer la chaleur d'un second régénérateur 103B qui vient d'être magnétisé c'est-à-dire réchauffé par des aimants 104A et 104B de part et d'autre des matériaux magnétocaloriques du régénérateur placés dans l'entrefer. Le fluide sortant du régénérateur 103B passe par 30 la vanne 105B et devient le fluide 114 qui est mélangé avec le fluide 113 provenant de l'échangeur 102. Le mélange 115 passe dans une pompe de circulation 109 pour 3033397 13 donner un fluide 116 qui va être refroidi par l'un quelconque des fluides de l'unité dans lequel s'intègre ce système de réfrigération. Il peut s'agir d'un fluide provenant du côté froid d'un autre système de réfrigération. On parlera dans ce cas d'un système en cascade. Dans ce cas, l'échangeur 101 peut être à contact direct si on a 5 pu choisir le même fluide caloporteur pour les 2 systèmes de réfrigération. Il peut aussi s'agir d'un fluide directement ou indirectement refroidi par un autre système de réfrigération. Les vannes 105A, 106B, 107B et 108A sont fermées. Dans un deuxième mode alterné (non représenté), le fluide caloporteur 110 passe par la vanne 106B puis parcourt le second régénérateur 103B constitué de 10 lames de matériaux magnétocaloriques qui vient d'être démagnétisé c'est-à-dire refroidi. A la sortie de 103B, le fluide caloporteur passe dans la vanne 107B pour donner le fluide 111 qui est introduit dans l'échangeur 102 puis divisé en un première partie 113 qui constitue une fraction faible du débit 110, typiquement entre quelques pourcents et 15%, et une seconde partie 112 qui passe par la vanne 108A et va 15 évacuer la chaleur du premier régénérateur 103A qui vient d'être magnétisé c'est-à- dire réchauffé par des aimants 104A et 104B de part et d'autre des matériaux magnétocaloriques du régénérateur placés dans l'entrefer. Le fluide sortant du régénérateur 103A passe par la vanne 105A et devient le fluide 114 qui est mélangé avec le fluide 113 provenant de l'échangeur 102. Le mélange 115 passe dans une 20 pompe de circulation 109 pour donner un fluide 116 qui va être refroidi par l'un quelconque des fluides de l'unité dans lequel s'intègre ce système de réfrigération. Il peut s'agir d'un fluide provenant du côté froid d'un autre système de réfrigération. On parlera dans ce cas d'un système en cascade. Dans ce cas, l'échangeur 101 peut être à contact direct si on a pu choisir le même fluide caloporteur pour les 2 systèmes 25 de réfrigération. Il peut aussi s'agir d'un fluide directement ou indirectement refroidi par un autre système de réfrigération. Les vannes 105B, 106A, 107A et 108B sont fermées. Les procédés des Figures 2 et 3 peuvent s'appliquer à la compression et au refroidissement d'un mélange gazeux destiné à être séparé par distillation à une 30 température subambiante, voire cryogénique. En particulier le mélange gazeux peut être de l'air, un mélange ayant pour composant(s) principal (ou principaux) du 3033397 14 dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone, de l'hydrogène, du méthane, de l'hydrogène, de l'azote, de l'oxygène ou de l'argon. Le mélange gazeux comprend au moins un composant, en particulier, le dioxyde de carbone, qui est capable de désublimer. Le refroidissement dans 5 l'échangeur 102 refroidit le mélange gazeux jusqu'à une température supérieure à la température de désublimation de ce composant, par exemple jusqu'à -30°C. L'échangeur de chaleur 102 ne refroidit pas le mélange gazeux jusqu'à une température égale à ou inférieure à la température de désublimation du composant capable de désublimation.In a first alternating mode, the coolant 110 passes through the valve 106A then travels a first regenerator 103A consisting of magnetocaloric material blades which has just been demagnetized, that is to say cooled. At the outlet of 103A, the heat transfer fluid passes through the valve 107A to give the fluid 111 which is introduced into the exchanger 102 and then divided into a first portion 113 which constitutes a small fraction of the flow rate 110, typically between a few percent and 15. %, and a second portion 112 which passes through the valve 108B and will evacuate the heat of a second regenerator 103B which has just been magnetized that is to say heated by magnets 104A and 104B on both sides magnetocaloric regenerator materials placed in the air gap. The fluid leaving the regenerator 103B passes through the valve 105B and becomes the fluid 114 which is mixed with the fluid 113 from the exchanger 102. The mixture 115 passes into a circulation pump 109 to give a fluid 116 which will be cooled by any of the fluids of the unit in which this refrigeration system integrates. It may be a fluid from the cold side of another refrigeration system. In this case, we will talk about a cascade system. In this case, the heat exchanger 101 may be in direct contact if it has been possible to choose the same heat transfer fluid for the two refrigeration systems. It can also be a fluid directly or indirectly cooled by another refrigeration system. The valves 105A, 106B, 107B and 108A are closed. In a second alternate mode (not shown), the heat transfer fluid 110 passes through the valve 106B and then travels the second regenerator 103B consisting of 10 blades of magnetocaloric materials which has just been demagnetized, that is to say cooled. At the outlet of 103B, the heat transfer fluid passes through the valve 107B to give the fluid 111 which is introduced into the exchanger 102 and then divided into a first portion 113 which constitutes a small fraction of the flow rate 110, typically between a few percent and 15% and a second portion 112 which passes through the valve 108A and will discharge heat from the first regenerator 103A which has just been magnetized, ie heated by magnets 104A and 104B on both sides of the materials. magnetocaloric regenerator placed in the gap. The fluid exiting the regenerator 103A passes through the valve 105A and becomes the fluid 114 which is mixed with the fluid 113 from the exchanger 102. The mixture 115 passes into a circulation pump 109 to give a fluid 116 which will be cooled. by any of the fluids of the unit in which this refrigeration system is integrated. It may be a fluid from the cold side of another refrigeration system. In this case, we will talk about a cascade system. In this case, the exchanger 101 may be in direct contact if it was possible to choose the same heat transfer fluid for the two refrigeration systems. It can also be a fluid directly or indirectly cooled by another refrigeration system. The valves 105B, 106A, 107A and 108B are closed. The processes of Figures 2 and 3 can be applied to the compression and cooling of a gaseous mixture to be separated by distillation at a subambient or even cryogenic temperature. In particular, the gaseous mixture may be air, a mixture having the main (or main) component (s) of carbon dioxide, carbon monoxide, hydrogen, methane, hydrogen, nitrogen, oxygen or argon. The gaseous mixture comprises at least one component, in particular carbon dioxide, which is capable of desubling. Cooling in exchanger 102 cools the gaseous mixture to a temperature above the desublimation temperature of that component, for example to -30 ° C. The heat exchanger 102 does not cool the gaseous mixture to a temperature equal to or lower than the desublimation temperature of the desublimatable component.
10 De préférence, dans les deux cas de la Figure 2 et 3, le mélange gazeux, ou l'air dont il est dérivé, a été épuré en le composant capable de désublimer, pour enlever la plupart de ce composant Si le mélange gazeux contient au moins 30% mol de dioxyde de carbone, voire au moins 70% de dioxyde de carbone, il est nécessaire d'enlever l'eau qu'il peut 15 contenir en amont de l'échangeur de chaleur, si la température de refroidissement doit passer en dessous de 0°C. Le refroidissement de la Figure 2 ou 3 peut être utilisé pour refroidir l'air de la Figure 1 en amont d'au moins un des compresseurs 6A,6B,6C et/ou en amont d'au moins un des compresseurs 230A, 230B,230C,232C,230D et/ou en aval d'au moins 20 un de ces compresseurs. Il peut aussi être utilisé pour refroidir un autre fluide de l'installation. Le refroidissement de la Figure 2 ou 3 peut remplacer complètement ou partiellement un refroidissement dans un des refroidisseurs 106A, 106B,106C ou 232A, 232B,232C,232D.Preferably, in both cases of FIGS. 2 and 3, the gaseous mixture, or the air from which it is derived, has been purified to the component capable of desubliming, to remove most of this component if the gaseous mixture contains at least 30 mol% of carbon dioxide, or even at least 70% of carbon dioxide, it is necessary to remove the water it may contain upstream of the heat exchanger, if the cooling temperature must pass below 0 ° C. The cooling of FIG. 2 or 3 may be used to cool the air of FIG. 1 upstream of at least one of the compressors 6A, 6B, 6C and / or upstream of at least one of the compressors 230A, 230B, 230C, 232C, 230D and / or downstream of at least one of these compressors. It can also be used to cool another fluid in the installation. The cooling of Figure 2 or 3 can completely or partially replace cooling in one of the chillers 106A, 106B, 106C or 232A, 232B, 232C, 232D.
25 Dans le cas où l'invention est appliquée pour remplacer au moins un des refroidisseurs 106A, 106B, 106C par un refroidissement en aval de compresseur selon l'invention, il devient possible de réduire le nombre d'étages de compression de trois (comme dans l'art antérieur de la Figure 1) à seulement deux, voire une étage de compression. Ici les deux étages (ou moins) compriment l'air jusqu'à la pression 30 d'opération de la colonne 8 .In the case where the invention is applied to replace at least one of the coolers 106A, 106B, 106C by downstream compressor cooling according to the invention, it becomes possible to reduce the number of compression stages by three (as in the prior art of Figure 1) to only two or even a compression stage. Here the two (or less) stages compress the air to the operating pressure of the column 8.
3033397 15 Le procédé de refroidissement de la Figure 2 ou 3 peut être utilisé dans le cas où la compression en amont et/ou en aval du refroidissement s'effectue dans un surpresseur froid ou un compresseur froid. Dans ce cas, le gaz à comprimer, par exemple de l'air épuré ou de l'azote, comprend très peu de composant capable de 5 désublimer , par exemple du dioxyde de carbone, et la température de désublimation peut être inférieure à -100°C, voire -150°C. Par exemple, pour un débit à 5 bar contenant 1ppm de dioxyde de carbone, la température de désublimation est entre 160°C et -165°C. Dans ce cas, on comprendra que le refroidissement effectué dans l'échangeur 10 102 peut permettre d'atteindre une température d'au plus -100°C, voire au plus - 150°C, selon les concentrations et les pressions. Le compresseur froid ou le surpresseur froid peut comprendre au moins deux étages et le refroidissement de la Figure 2 ou 3 s'effectue entre les deux étages. Sinon le compresseur froid ou le surpresseur froid peut comporter un seul étage et le 15 refroidissement de la Figure 2 ou 3 s'effectue en amont ou en aval de cet étage. Le mélange gazeux dans les Figures 2 et 3 peut être un débit essentiellement d'azote gazeux ou un débit essentiellement d'oxygène gazeux, contenant, dans les deux cas, des traces de CO2 et/ou d'eau, par exemple inférieur à 1 ppm. La Figure 4 montre comment un système hybride de compression associant 20 un compresseur centrifuge à un système de réfrigération magnétique active à régénération de manière à obtenir un rendement exergétique de compression supérieur à 80% (équivalent à un rendement isotherme supérieur à 80%). Les calculs ont été réalisés sur la base d'un gaz parfait. Le rendement polytropique a été fixé à 85%. La température d'entrée du compresseur en l'absence de réfrigération est fixée 25 à 15°C. La courbe A montre l'évolution du rendement exergétique du système compresseur - réfrigération en fonction de la température du fluide 121 sur la base de la Figure 2, pour un taux de compression de 2 du compresseur 131 et un rendement exergétique du système de réfrigération de 80%. On constate que le 30 rendement passe de 75.48% à 15°C (pas de réfrigération) à 83.15% à -35°C ce qui représente un gain considérable. La courbe B montre l'évolution du rendement 3033397 16 exergétique du système compresseur - réfrigération en fonction de la température du fluide 121 sur la base de la Figure 3 dans le cas où le débit du fluide 112 est le même que celui de 111, c'est-à-dire que le débit de 113 est nul. Dans ce cas, l'optimum de rendement est de 79.25% à -11°C.The cooling method of FIG. 2 or 3 can be used in the case where the compression upstream and / or downstream of the cooling is carried out in a cold booster or a cold compressor. In this case, the gas to be compressed, for example purified air or nitrogen, has very little component capable of desublishing, for example carbon dioxide, and the desublimation temperature may be less than -100. ° C, or -150 ° C. For example, for a flow rate at 5 bar containing 1 ppm of carbon dioxide, the desublimation temperature is between 160 ° C and -165 ° C. In this case, it will be understood that the cooling carried out in the heat exchanger 102 can make it possible to reach a temperature of at most -100.degree. C., or even at most -150.degree. C., depending on the concentrations and the pressures. The cold compressor or the cold booster may comprise at least two stages and the cooling of Figure 2 or 3 takes place between the two stages. Otherwise the cold compressor or the cold booster may comprise a single stage and the cooling of Figure 2 or 3 is upstream or downstream of this stage. The gaseous mixture in FIGS. 2 and 3 may be a substantially nitrogen gas flow rate or a substantially oxygen gas flow rate, containing, in both cases, traces of CO2 and / or water, for example less than 1 ppm. Figure 4 shows how a hybrid compression system associating a centrifugal compressor with a regenerative active magnetic refrigeration system so as to obtain an exergy compressive efficiency greater than 80% (equivalent to an isothermal efficiency greater than 80%). The calculations were made on the basis of a perfect gas. The polytropic yield was set at 85%. The compressor inlet temperature in the absence of refrigeration is set at 15 ° C. Curve A shows the evolution of the exergetic efficiency of the compressor-refrigeration system as a function of the temperature of the fluid 121 on the basis of FIG. 2, for a compression ratio of 2 of the compressor 131 and an exergy efficiency of the refrigeration system. 80%. It is found that the yield goes from 75.48% at 15 ° C (no refrigeration) to 83.15% at -35 ° C which represents a considerable gain. Curve B shows the evolution of the exergetic efficiency of the compressor-refrigeration system as a function of the temperature of the fluid 121 on the basis of FIG. 3 in the case where the flow rate of the fluid 112 is the same as that of 111, c that is, the flow rate of 113 is zero. In this case, the optimum yield is 79.25% at -11 ° C.
5 La courbe C correspond aux mêmes hypothèses que la courbe A mais pour un taux de compression de 4. On voit que l'optimum dans ce cas est de 81.55% à -78°C. Cela signifie qu'il est possible de réduire le nombre d'étages d'un compresseur centrifuge, dans ce cas 1 au lieu de 2 pour faire un taux de compression de 4 tout en conservant un rendement supérieur par rapport au cas de base (75.48%). La courbe 10 D correspond aux mêmes hypothèses que la courbe B mais pour un taux de compression de 4. On voit que l'optimum dans ce cas est de 73.88% à -36°C. La courbe E correspond aux mêmes hypothèses que la courbe A mais pour un rendement exergétique du système de réfrigération de 50%. On voit que l'optimum dans ce cas est de 80.33% à -18°C. Même avec ces hypothèses plus pessimistes, le 15 gain reste substantiel par rapport au cas de base (75.48%). La courbe F correspond aux mêmes hypothèses que la courbe B mais pour un rendement exergétique du système de réfrigération de 50%. On voit que l'optimum dans ce cas est de 77.88% à -2°C. La comparaison courbe A/courbe B, courbe C/courbe D et courbe E/courbe F 20 montre l'intérêt de la Figure 2 par rapport à la configuration classique d'un système de réfrigération magnétique active à régénération tel que décrit par exemple par le brevet US6502404 où le fluide caloporteur sortant de la zone froide est renvoyé à celle-ci. Pour les courbes A, C et E, à l'optimum, le rapport entre la quantité de chaleur 25 Qr lors du refroidissement du fluide (différence entre 120 et 121) et le travail Wc du fourni lors de la compression 131 est égal au rendement exergétique du système de réfrigération. L'efficacité d'un tel système réside aussi dans l'efficacité de l'échangeur 102 en terme de différence de température entre le fluide calorigène et le fluide 30 frigorigène.Curve C corresponds to the same assumptions as curve A but for a compression ratio of 4. It can be seen that the optimum in this case is 81.55% at -78 ° C. This means that it is possible to reduce the number of stages of a centrifugal compressor, in this case 1 instead of 2 to make a compression ratio of 4 while maintaining a higher yield compared to the basic case (75.48 %). The curve D corresponds to the same assumptions as the curve B but for a compression ratio of 4. It can be seen that the optimum in this case is 73.88% at -36 ° C. Curve E corresponds to the same assumptions as curve A but for an exergetic efficiency of the refrigeration system of 50%. It can be seen that the optimum in this case is 80.33% at -18 ° C. Even with these more pessimistic assumptions, the gain remains substantial relative to the base case (75.48%). Curve F corresponds to the same assumptions as curve B but for an exergetic efficiency of the refrigeration system of 50%. It can be seen that the optimum in this case is 77.88% at -2 ° C. The comparison curve A / curve B, curve C / curve D and curve E / curve F 20 shows the interest of FIG. 2 compared with the conventional configuration of a regenerative active magnetic refrigeration system as described, for example, by US Pat. No. 6,502,404 where the coolant leaving the cold zone is returned thereto. For the curves A, C and E, at the optimum, the ratio between the amount of heat Qr during the cooling of the fluid (difference between 120 and 121) and the work Wc of the supplied during the compression 131 is equal to the yield exergy of the refrigeration system. The effectiveness of such a system also lies in the efficiency of the exchanger 102 in terms of the temperature difference between the heat transfer fluid and the refrigerant.
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