WO2016132086A1 - Procede et appareil de separation a temperature subambiante - Google Patents

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WO2016132086A1
WO2016132086A1 PCT/FR2016/050393 FR2016050393W WO2016132086A1 WO 2016132086 A1 WO2016132086 A1 WO 2016132086A1 FR 2016050393 W FR2016050393 W FR 2016050393W WO 2016132086 A1 WO2016132086 A1 WO 2016132086A1
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heat
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heat pump
temperature
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PCT/FR2016/050393
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Benoît DAVIDIAN
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L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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    • F25J2270/00Refrigeration techniques used
    • F25J2270/90External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration
    • F25J2270/908External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration by regenerative chillers, i.e. oscillating or dynamic systems, e.g. Stirling refrigerator, thermoelectric ("Peltier") or magnetic refrigeration

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for separation at subambient temperature, or even cryogenic.
  • the separation may be separation by distillation and / or dephlegmation and / or absorption.
  • the equipment used for this separation will be called "column".
  • a column may for example be a distillation or absorption column. Reduced to its simplest expression, it can be a phase separator. Otherwise a column can also be a device where a dephlegmation takes place.
  • Magnetic refrigeration is based 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 (Te).
  • Te Curie 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 rest of the description will be made for the direct case, but the transposition to the indirect case is obvious to those skilled in the art.
  • thermodynamic cycles There are several thermodynamic cycles based on this principle.
  • a typical magnetic refrigeration cycle consists of:
  • a magnetic refrigeration device uses elements of magnetocaloric material, which generate heat when magnetized and absorb heat when demagnetized. It can implement a regenerator magnetocaloric material to amplify the temperature difference between the "hot source” and the “cold source”: it is called active regenerative magnetic refrigeration.
  • US-A-6502404 describes the use of the magnetocaloric effect (instead of the conventional use of an expansion turbine) to provide cold (necessary to ensure the cooling of the process) to a cryogenic separation process of the air, the separation energy being conventionally provided by the pressurized air which makes it possible to operate the vaporizer-condenser of the double column (the low pressure column can be reduced to a simple vaporizer in the case of a nitrogen generator).
  • the separation (distillation) is partly under pressure, typically between 5 and 6 bara in the medium pressure column.
  • FR-A-3010509 describes a separation entirely at very low pressure, the fluid to be separated does not convey the energy (in the form of pressure) used for the separation and for the cold resistance of the process.
  • the energy for the separation and the energy for the cold resistance are provided by heat pumps using the magnetocaloric effect, independently of the fluid to be separated and its pressure.
  • US-A-2010/011810 and US-A-2013/219958 each describe a method in which two heat pumps supply energy for distillation but do not participate in the maintenance of refrigeration balance, the process being kept cold by a feed gas expansion turbine for US-A-2010/01 1810 and by expansion turbine or other means for US-A-2013/219958.
  • the present invention addresses the problem of simplifying the implementation and reducing the energy consumption of the separation, integrating the exchanger at the "cold source" of the so-called cold balance heat pump in the column.
  • a heat pump is a thermodynamic device for transferring a quantity of heat from a medium considered as “transmitter” said “cold source” from which the heat is extracted to a medium considered as “receiver” said "hot source Where the heat is supplied, the cold source being at a colder temperature than the hot source.
  • 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.
  • a cryogenic temperature is below -50 ° C.
  • a method for separating a mixture for example gas from air, by separation at subambient temperature, or even cryogenically by distillation and / or by dephlegmation and / or by absorption in which: a) at least one first heat pump, said separation heat pump, exchanging heat directly or indirectly between a first cold source at subambient temperature or cryogenic and a first hot source at subambient temperature or cryogenic thereby providing at least partly the separation energy, and
  • At least one second heat pump exchanges heat directly or indirectly between a second cold source at a first subambient or even cryogenic temperature and a second hot source at a temperature above the first subambient temperature, for example at room temperature directly or indirectly condenses a fluid from the single column (19) or column of the assembly into a single column or set of columns, the first heat sink and the first heat source being thermally connected, directly or indirectly , to a single column, which can be the single column or column of the assembly and characterized in that the at least one first heat pump and the at least one second heat pump use the magnetocaloric effect and the second heat pump is a heat pump.
  • so-called cooling balance heat which brings at least a part of the cold necessary to maintain the refrigeration balance of the process.
  • the first so-called separation heat pump transfers heat directly or indirectly from the top of the column, preferably by condensing gas from the column, to the column vessel, preferably by spraying liquid from the single column.
  • the first so-called separation heat pump transfers heat directly or indirectly into a column of the assembly, preferably by condensing gas in a column of the assembly, to a column of the assembly, preferably by vaporization of liquid in a column of the set.
  • a heat exchange is at least partly carried out between a fluid resulting from the separation of the column or a column from the assembly and a heat-transfer fluid having been in contact with the magnetocaloric material of the second heat pump through a heat exchanger, integrated with the column or column of the set.
  • the single column or the column of the assembly contains means for exchanging material and heat constituted by structured packings and a distributor for distributing liquid above the material and heat exchange means, the exchanger of heat being disposed in the distributor of the column or column of the assembly.
  • the dispenser comprises a series of adjacent parallel upstanding walls defining alternate spaces of gas and liquid, erect walls being separated by horizontal bottom walls provided with a row of holes, at least a portion of each erected wall being provided with a row of openings, each pair of adjacent upright walls defining a gas space, the heat exchanger being disposed at least partially in at least one of the gas spaces.
  • the heat exchanger comprises tubes in which the fluid flows, preferably horizontally. at least a portion of some tubes is disposed in a gas space. at least one tube of the heat exchanger passes through, preferably diametrically, the entire section of the column or column of the assembly.
  • the heat exchanger is an aluminum brazed plate and fin exchanger, the heat exchanger comprising, or being divided into, several parts each comprising at least: a plurality of plates, the plates being arranged parallel to one another, the plates defining conformal passages for the flow of circulating fluid or refrigerant; and heat exchange fins which extend between the plates to define passages, each passage being adapted to channel a portion of the upstream gas into the column or column of all or part of the fluid.
  • the heat exchanger is placed between some theoretical mass exchange trays and heat over the introduction of the mixture in the column or column of the assembly.
  • the heat exchanger is integrated in a liquid dispenser and / or gas in the column or column of the assembly.
  • the heat exchanger is integrated in at least one gas space of a distributor of the column or column of the assembly.
  • At least a portion of the heat exchanger is disposed in at least one gas space of a distributor of the column or column of the assembly.
  • the heat exchanger occupies the entire section of the column or column of the assembly.
  • the heat exchanger is of the tubular type.
  • the heat exchanger is of type exchanger plates and fins brazed aluminum.
  • the heat exchanger operates in dephlegmator mode on the side of the fluid from the column or column of the assembly.
  • the heat exchanger is placed a few theoretical distillation trays above the introduction of the mixture into the column or column of the whole - the exchanger is placed directly on the lower distillation section of the column or d 'a column of the set. the upper distillation section of the column or column of the assembly is placed directly on the exchanger.
  • the separation is carried out in a single column or set of columns, the pressure of the single column or columns of the assembly being less than 2 bara, preferably less than 1.5 bara, preferably at least one pressure which does not differs from the atmospheric pressure only by the pressure losses of the elements connecting the column or columns with the atmosphere.
  • the mixture is air.
  • the process produces as final product at least one gas enriched in a component of the mixture.
  • the process produces as final product at least one liquid enriched in a component of the mixture.
  • the second hot source is disposed outside the single column or column of the assembly.
  • the second hot source is at a higher temperature than the first hot source.
  • the second hot source is at ambient temperature.
  • an apparatus for separating an air gas mixture by a separation process at subambient temperature or even cryogenic by distillation and / or by dephlegmation and / or absorption comprising a single column or set of columns in which the subambient or even cryogenic separation is carried out, means for sending a mixture of gases from the air to the column or an assembly column, means for withdrawing at least one fluid enriched in a component of the mixture of the column, at least a first heat pump, called a heat pump separation, for heat exchange directly or indirectly between a cold source at subambient temperature or cryogenic and a hot source at subambient temperature, or cryogenic thus providing at least part of the separation energy and at least one second heat pump, referred to as the cooling balance heat pump, for sampling manage heat directly or indirectly between a cold source at a first subambient temperature or even a cryogenic temperature and a hot source at a temperature above the first temperature, for example at room temperature, directly or indirectly condensing a fluid from the single column
  • the pressure of the single column or columns of the assembly being less than 2 bara, preferably less than 1.5 bara, so that the column is or the columns are connected to the atmosphere by at least one duct; not including means of relaxation.
  • the apparatus comprises means for withdrawing a liquid product at the head or single column vessel or a column of the assembly.
  • the apparatus comprises means for withdrawing a gaseous product at the head or in the vat of the single column or of a column of the assembly.
  • the apparatus comprises means for integrating the heat exchanger in a liquid and / or gas distributor of the column or column of the assembly.
  • the apparatus comprises means for integrating the heat exchanger into at least one gas space of a distributor of the column or column of the assembly.
  • At least one tube of the heat exchanger is disposed in a gas space.
  • at least a plurality of passages of the plate and fin exchanger are arranged in a gas space.
  • the apparatus comprises means for containing and supporting the heat exchanger over the entire section of the column or column of the assembly.
  • the apparatus comprises means for operating the heat exchanger in dephlegmator mode on the side of the fluid from the column or column of the assembly.
  • FIG. 1 illustrates a method as described in FR-A-3010509. The invention will be described in more detail with reference to FIGS. 2 to 5.
  • a flow of gaseous air 1 is compressed in a compressor 3 and cooled in a cooler 5 to form compressed air and
  • This cooled air 7 is purified in a purification unit 9 to remove water and carbon dioxide and other impurities.
  • the purified air is then cooled in a plate heat exchanger 11 with fins.
  • the cooled air 14 in the exchanger 11 is divided into two parts 13,15. Part 13 is sent to the middle of a single distillation column 19 where it separates to form nitrogen-enriched gas 41 at the top of column 19 and an oxygen-enriched liquid 29 in the bottom of column 19.
  • the part 15 of the air (indirect heat source of the second heat pump) is condensed at least partially in a heat exchanger 17 by heat exchange with a fluid flow 23 which cools by means of a second pump. heat using the magnetocaloric effect 21.
  • a cooling fluid 51 hot source of the second heat pump
  • typically ambient air or cooling water is sent to the second heat pump using the magnetocaloric effect 21.
  • the column comprises a bottom reboiler 33 and a top condenser 35.
  • the reboiler (the liquid reboiled in the reboiler is the indirect heat source of the first heat pump) is heated by means of a fluid circuit 37 link with a first heat pump using the magnetocaloric effect 31.
  • This first heat pump using the magnetocaloric effect 31 also serves to cool a fluid 39 which cools the condenser.
  • the condenser gas in the condenser is the indirect cold source of the first heat pump.
  • the fluids 37 and 39 may be the same or different.
  • An oxygen-enriched liquid 29 is withdrawn in the vat from the column 19 and a nitrogen-enriched gas 41 warms up in the exchanger 11 and serves, at least in part, subsequently to regenerate the purification unit 9.
  • a gas Oxygen enriched is withdrawn in the bottom of the column 19, is heated in the exchanger 11 and is compressed by a compressor 27.
  • FIG. 2 unlike FIG. 1, all the cooled air 14 in the exchanger 11 is sent directly to the middle of the single column 19. Furthermore, the heat exchanger 17 is integrated in the column 19 being disposed inside the column, either at the level of the cooled air inlet 14, or preferably a few Theoretical distillation trays above the introduction of the cooled air 14. The heat exchanger 17 partially condenses the rising gas in the column 19. This allows both a gain in energy efficiency (about 3 at 4%), but also a more compact architecture and simpler.
  • the second heat pump using the magnetocaloric effect 21 providing at least a part the cold necessary to maintain the refrigerant balance of the apparatus, which are directly connected to the column 19.
  • the heat exchanger 17 may be placed between two liquid distributors. It may be, for example, a tubular heat exchanger, an aluminum brazed plate and fin exchanger. Preferably, the heat exchanger 17 operates in dephlegmator mode on the side of the fluid coming from the column 19.
  • FIGS 3a, 3b and 4 show the heat exchanger 17 integrated with a liquid / gas distributor of the column 19.
  • the dispenser as such is a conventional dispenser, as shown in WO-A-05/039726. It is a fluid distributor for a heat exchange and material exchange column comprising a series of adjacent parallel raised walls defining alternate spaces of gas 103 and liquid 101, the liquid spaces forming chutes.
  • the erected walls are separated by horizontal bottom walls provided with rows of holes 102. At least a portion of each erected wall is provided with a row of openings 104, each pair of adjacent upright walls defining a gas space 103.
  • the horizontal walls are fixed at their ends to a peripheral ring attached to the shell of the column
  • the gas spaces 103 are closed upwards.
  • the distributor is disposed between two sections of material and heat exchange means, for example structured packing sections.
  • Figure 3a shows an arrangement where the heat exchanger 17 integrated in a liquid and / or gas distributor of the column 19 is of the tubular type (cross section).
  • the tubes 1 1 1 are arranged in the gas spaces 103 of the distributor.
  • the gas from the lower section of the column 19 rises in the gas spaces 103, partially condenses in contact with the tubes 1 1 1.
  • the condensed part falls in rain on the lower section (or possibly through another liquid distributor), while the remainder of the gas passes through the openings 104 of the gas spaces 103 to join the upper section of the column 19.
  • the fluid 23 passes inside the tubes.
  • the liquid from the upper section of the column 19 is collected in chutes 101, then falls rain (or possibly through another liquid distributor) on the lower section through the holes 102.
  • Figure 3b differs from Figure 3a in that the heat exchanger 17 is of type plate heat exchanger and fins brazed aluminum.
  • the heat exchanger 17 is divided into several parts 120 each comprising at least: a plurality of plates, the plates being arranged parallel to each other, the plates defining conformal passages for the flow of circulating fluid or refrigerant; and heat exchange fins which extend between the plates so as to define passages, each passage being adapted to channel a portion of the circulating fluid (the gas rising in the column) or a portion of the refrigerant (the fluid ).
  • the different parts 120 of the heat exchanger 17 are each disposed in a gas space 103, two of which are illustrated here.
  • the fluid 23 passes to the inside passages 121 where it cools.
  • the fins of the passages 121 are oriented so that the direction of flow of the fluid 23 is in the direction of the length of the gas space.
  • Figure 4 corresponds to Figure 3a seen from below.
  • the three pairs of erected walls are separated by two horizontal lower walls each provided with three rows of holes 102.
  • Each gas space 103 between a pair of upstanding walls is traversed by three parallel tubes 1 1 1 having the same length and supplied by the fluid 23. Other numbers of tubes may be considered.
  • the tubes 1 1 1 of the same gas space 103 are connected to each end forming a portion 1 10 of the exchanger 17.
  • the three ends at one end are connected to the pipes 1 15 and at the other end to the pipes 1 16
  • the pipes 1 15 and 1 16 correspond to the inlet / outlet of the fluid 23.
  • the parallel tubes of the central gas space pass diametrically through the section of the column 19 and the other parallel tubes are arranged on a rope of this section.
  • FIG. 5 shows the case where the heat exchanger 17 forms a single block comprising at least: a plurality of plates, the plates being arranged parallel to one another, the plates defining conformal passages for the flow of circulating fluid or refrigerant; and heat exchange fins which extend between the plates so as to define passages 121, 122, each passage being adapted to channel a portion of the circulating fluid (the gas rising in the column) or a portion of the refrigerant ( the fluid 23).
  • the heat exchanger is disposed over the entire section of the column 19, with a dual-entry dephlegmator operation: the liquid of the upper section 131 of the column 19 flows through the heat exchanger 17 downwards through the passages 122; the gas of the lower section 132 of the column 19 passes through the heat exchanger 17, through the passages 122, a portion of the gas is condensed and back-flows down the passages 122, then rain on the lower section 132 of column 19, the remainder of the steam leaving the passages 122 from above to reach the upper section 131 of the column 19.
  • This configuration is favored with a column 19 to rectangular or square section.
  • the presence of liquid dispenser and / or gas inlet and / or outlet of the heat exchanger 17 is optional.
  • the heat exchanger 17 rests directly on the lower section 132, and the upper section 131 rests directly on the heat exchanger 17.
  • the fluid 23 passes inside the passages 121 where it cool down.
  • the fins of the passages 121 are oriented so that the direction of flow of the fluid 23 is in the direction of the length of the gas space.
  • the invention is described herein in the air separation application at cryogenic temperature. It is obvious that the invention also applies to other separations at subambient temperatures for example at the separation of a mixture containing carbon monoxide and / or hydrogen and / or nitrogen and / or methane.

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Abstract

Dans un procédé de séparation d'un mélange par séparation à température subambiante,une première pompe à chaleur (31), utilise l'effet magnétocalorique échange de la chaleur entre une source froide à température subambiante et une source chaude à température subambiante, apportant ainsi au moins en partie l'énergie de séparation et une deuxième pompe à chaleur (21), utilise l'effet magnétocalorique échange de la chaleur entre une source froide (15) à température subambiante et une source chaude à température ambiante apportant ainsi au moins une partie du froid nécessaire au maintien du bilan frigorifique du procédé, la séparation s'effectuant dans une colonne unique (19) dans laquelle la deuxième pompe à chaleur (21) condense directement un fluide issu de la colonne unique (19).

Description

PROCEDE ET APPAREIL DE SEPARATION A TEMPERATURE SUBAMBIANTE
La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation à température subambiante, voire cryogénique. La séparation peut être une séparation par distillation et/ou par déflegmation et/ou par absorption. L'équipement utilisé pour cette séparation sera appelé « colonne ». Ainsi une colonne peut par exemple être une colonne de distillation ou d'absorption. Réduite à sa plus simple expression, elle peut être un séparateur de phases. Sinon une colonne peut également être un appareil où s'effectue une déflegmation.
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 (Te). 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 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 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. Un dispositif de réfrigération magnétique met en œuvre 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 œuvre 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 à régénération active.
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-A-6502404 décrit l'usage de l'effet magnétocalorique (à la place de l'utilisation classique d'une turbine de détente) pour fournir du froid (nécessaire pour assurer le bilan frigorifique du procédé) à un procédé cryogénique de séparation de gaz de l'air, l'énergie de séparation étant classiquement apportée par l'air sous pression qui permet de faire fonctionner le vaporiseur-condenseur de la double colonne (la colonne basse pression pouvant être réduite à un simple vaporiseur dans le cas d'un générateur d'azote). La séparation (distillation) se fait en partie sous pression, typiquement entre 5 et 6 bara dans la colonne moyenne pression.
Il est connu depuis longtemps d'utiliser un même circuit pour fournir à la fois de la chaleur au rebouilleur d'une colonne de distillation et des frigories au condenseur de cette même colonne. US-A-2916888 montre un exemple pour une distillation d'hydrocarbures.
FR-A-3010509 décrit une séparation entièrement à très basse pression, le fluide à séparer ne véhiculant pas l'énergie (sous forme de pression) utilisée pour la séparation et pour la tenue en froid du procédé. L'énergie pour la séparation et l'énergie pour la tenue en froid sont apportées par des pompes à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique, indépendamment du fluide à séparer et de sa pression.
US-A-2010/01 1810 et US-A-2013/219958 décrivent chacun un procédé dans lequel deux pompes à chaleur apportent de l'énergie à la distillation mais ne participent pas au maintien de bilan frigorifique, le procédé étant tenu en froid par une turbine de détente de gaz d'alimentation pour US-A-2010/01 1810 et par détente en turbine ou autres moyens pour US-A-2013/219958. La présente invention adresse le problème de simplifier la mise en œuvre et de réduire la consommation énergétique de la séparation, en intégrant l'échangeur au niveau de la « source froide » de la pompe à chaleur dite de bilan frigorifique dans la colonne.
Une pompe à chaleur 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.
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 lien avec la température d'air.
Une température subambiante est au moins 10°C inférieure à la température ambiante.
Une température cryogénique est inférieure à -50°C.
Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'un mélange, par exemple de gaz de l'air, par séparation à température subambiante, voire cryogénique par distillation et/ou par déflegmation et/ou par absorption dans lequel : a) au moins une première pompe à chaleur, dite pompe à chaleur de séparation, échange de la chaleur directement ou indirectement entre une première source froide à température subambiante, voire cryogénique et une première source chaude à température subambiante, voire cryogénique apportant ainsi au moins en partie l'énergie de séparation, et
b) au moins une deuxième pompe à chaleur échange de la chaleur directement ou indirectement entre une deuxième source froide à une première température subambiante, voire cryogénique et une deuxième source chaude à une température supérieure à la première température subambiante, par exemple à la température ambiante, condense directement ou indirectement un fluide issu de la colonne unique (19) ou de la colonne de l'ensemble, dans une colonne unique ou un ensemble de colonnes, la première source froide et la première source chaude étant reliées thermiquement, directement ou indirectement, à une seule colonne, pouvant être la colonne unique ou une colonne de l'ensemble et caractérisé par le fait que l'au moins une première pompe à chaleur et l'au moins une deuxième pompe à chaleur utilisent l'effet magnétocalorique et que la deuxième pompe à chaleur est une pompe à chaleur dite de bilan frigorifique qui apporte au moins une partie du froid nécessaire au maintien du bilan frigorifique du procédé.
Selon d'autres caractéristiques facultatives :
la première pompe à chaleur dite de séparation transfère de la chaleur directement ou indirectement de la tête de colonne, préférentiellement par condensation de gaz de la colonne, vers la cuve de colonne, préférentiellement par vaporisation de liquide de la colonne unique.
la première pompe à chaleur dite de séparation transfère de la chaleur directement ou indirectement dans une colonne de l'ensemble, préférentiellement par condensation de gaz dans une colonne de l'ensemble, vers une colonne de l'ensemble, préférentiellement par vaporisation de liquide dans une colonne de l'ensemble.
- un échange thermique est au moins en partie réalisé entre un fluide issu de la séparation de la colonne ou d'une colonne de l'ensemble et un fluide caloporteur ayant été en contact avec le matériau magnétocalorique de la deuxième pompe à chaleur à travers un échangeur de chaleur, intégré à la colonne ou à une colonne de l'ensemble.
la colonne unique ou la colonne de l'ensemble contient des moyens d'échange de matière et de chaleur constitués par des garnissages structurés et un distributeur pour répartir du liquide au dessus des moyens d'échange de matière et de chaleur, l'échangeur de chaleur étant disposé dans le distributeur de la colonne ou de la colonne de l'ensemble.
le distributeur comprend une série de parois dressées parallèles adjacentes définissant des espaces alternes de gaz et de liquide, des parois dressées étant séparées par des parois inférieures horizontales munies d'une rangée de trous, au moins une portion de chaque paroi dressée étant munie d'une rangée d'ouvertures , chaque paire de parois dressées adjacentes définissant un espace gaz, l'échangeur de chaleur étant disposé au moins partiellement dans au moins un des espaces gaz.
- l'échangeur de chaleur comporte des tubes dans lesquels coule le fluide, de préférence horizontalement. au moins une partie de certains tubes est disposée dans un espace gaz. au moins un tube de l'échangeur de chaleur traverse, de préférence diamétralement, toute la section de la colonne ou de la colonne de l'ensemble.
l'échangeur de chaleur est un échangeur à plaques et ailettes brasées en aluminium, l'échangeur de chaleur comportant, ou étant divisé en plusieurs parties comportant chacune, au moins: une pluralité de plaques, les plaques étant disposées parallèlement les unes aux autres, les plaques délimitant des passages conformes pour l'écoulement de fluide calorigène ou de fluide frigorigène; et des ailettes d'échange thermique qui s'étendent entre les plaques de façon à définir des passages, chaque passage étant adapté pour canaliser une partie du gaz montant dans la colonne ou de la colonne de l'ensemble ou une partie du fluide .
l'échangeur de chaleur est placé entre quelques plateaux théoriques d'échange de masse et de chaleur au dessus de l'introduction du mélange dans la colonne ou d'une colonne de l'ensemble.
- l'échangeur de chaleur est intégré dans un distributeur liquide et/ou gaz de la colonne ou d'une colonne de l'ensemble.
l'échangeur de chaleur est intégré dans au moins une espace gaz d'un distributeur de la colonne ou d'une colonne de l'ensemble.
au moins une partie de l'échangeur de chaleur est disposé dans au moins une espace gaz d'un distributeur de la colonne ou d'une colonne de l'ensemble.
l'échangeur de chaleur occupe toute la section de la colonne ou d'une colonne de l'ensemble.
l'échangeur de chaleur est de type tubulaire.
l'échangeur de chaleur est de type échangeur à plaques et ailettes brasés en aluminium.
l'échangeur de chaleur fonctionne en mode déflegmateur du coté du fluide issu de la colonne ou d'une colonne de l'ensemble.
l'échangeur de chaleur est placé quelques plateaux théoriques de distillation au dessus de l'introduction du mélange dans la colonne ou d'une colonne de l'ensemble - l'échangeur est posé directement sur le tronçon inférieur de distillation de la colonne ou d'une colonne de l'ensemble. le tronçon supérieur de distillation de la colonne ou d'une colonne de l'ensemble est posé directement sur l'échangeur.
la séparation s'effectue dans une colonne unique ou un ensemble de colonnes, la pression de la colonne unique ou des colonnes de l'ensemble étant inférieure à 2 bara, préférentiellement inférieure à 1 ,5 bara, préférentiellement à au moins une pression qui ne diffère de la pression atmosphérique que par les pertes de charges des éléments reliant la ou les colonnes avec l'atmosphère.
le mélange est de l'air.
le procédé produit comme produit final au moins un gaz enrichi en un composant du mélange.
le procédé produit comme produit final au moins un liquide enrichi en un composant du mélange.
-la deuxième source chaude est disposée en dehors de la colonne unique ou de la colonne de l'ensemble.
-la deuxième source chaude est à une température plus élevée que la première source chaude.
-la deuxième source chaude est à la température ambiante.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'un mélange de gaz de l'air par un procédé de séparation à température subambiante, voire cryogénique par distillation et/ou par déflegmation et/ou par absorption comprenant une colonne unique ou un ensemble de colonnes où s'effectue la séparation subambiante, voire cryogénique, des moyens pour envoyer un mélange de gaz de l'air vers la colonne ou une colonne de ensemble, des moyens pour soutirer au moins un fluide enrichi en un composant du mélange de la colonne, au moins une première pompe à chaleur, dite pompe à chaleur de séparation, pour échanger de la chaleur directement ou indirectement entre une source froide à température subambiante, voire cryogénique et une source chaude à température subambiante, voire cryogénique apportant ainsi au moins en partie l'énergie de séparation et au moins une deuxième pompe à chaleur, dite pompe à chaleur de bilan frigorifique, pour échanger de la chaleur directement ou indirectement entre une source froide à une première température subambiante, voire cryogénique et une source chaude à température supérieure à la première température, par exemple à la température ambiante, , condensant directement ou indirectement un fluide issu de la colonne unique ou de la colonne de l'ensemble à travers un échangeur de chaleur intégré à la colonne unique ou de la colonne de l'ensemble, la première source froide et la première source chaude étant reliées thermiquement, directement ou indirectement, à la colonne unique ou à la colonne de l'ensemble, caractérisé en ce que l'au moins une première pompe à chaleur et l'au moins une deuxième pompe à chaleur utilisent l'effet magnétocalorique, l'au moins une deuxième pompe à chaleur, dite de bilan frigorifique comprend des moyens pour apporter au moins une partie du, voire tout le froid nécessaire au maintien du bilan frigorifique du procédé.
Selon d'autres objets facultatifs :
la pression de la colonne unique ou des colonnes de l'ensemble étant inférieure à 2 bara, préférentiellement inférieure à 1 .5 bara, de sorte que la colonne est ou les colonnes sont reliée(s) à l'atmosphère par au moins un conduit ne comprenant pas de moyens de détente.
- l'appareil comprend des moyens pour soutirer un produit liquide en tête ou cuve de colonne unique ou d'une colonne de l'ensemble.
l'appareil comprend des moyens pour soutirer un produit gazeux en tête ou en cuve de la colonne unique ou d'une colonne de l'ensemble.
l'appareil comprend des moyens pour intégrer l'échangeur de chaleur dans un distributeur liquide et/ou gaz de la colonne ou d'une colonne de l'ensemble.
l'appareil comprend des moyens pour intégrer l'échangeur de chaleur dans au moins un espace gaz d'un distributeur de la colonne ou d'une colonne de l'ensemble.
au moins un tube de l'échangeur de chaleur est disposé dans un espace gaz. au moins une pluralité de passages de l'échangeur à plaques et à ailettes sont disposées dans un espace gaz.
l'appareil comprend des moyens pour contenir et supporter l'échangeur de chaleur sur toute la section de la colonne ou d'une colonne de l'ensemble.
l'appareil comprend des moyens pour faire fonctionner l'échangeur de chaleur en mode déflegmateur du coté du fluide provenant de la colonne ou d'une colonne de l'ensemble.
La Figure 1 illustre un procédé tel que décrit dans FR-A-3010509. L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures 2 à 5. Dans la Figure 1 , un débit d'air gazeux 1 est comprimé dans un compresseur 3 et refroidi dans un refroidisseur 5 pour former de l'air comprimé et refroidi 7. Cet air refroidi 7 est épuré dans une unité d'épuration 9 pour enlever de l'eau et du dioxyde de carbone et d'autres impuretés. L'air épuré est ensuite refroidi dans un échangeur de chaleur 1 1 à plaques et à ailettes. L'air refroidi 14 dans l'échangeur 1 1 est divisé en deux parties 13,15. La partie 13 est envoyée au milieu d'une simple colonne de distillation 19 où elle se sépare pour former du gaz enrichi en azote 41 en haut de la colonne 19 et un liquide enrichi en oxygène 29 en cuve de la colonne 19.
La partie 15 de l'air (source froide indirecte de la deuxième pompe à chaleur) est condensée au moins partiellement dans un échangeur de chaleur 17 par échange de chaleur avec un débit de fluide 23 qui se refroidit au moyen d'une deuxième pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 21. Un fluide 51 de refroidissement (source chaude de la deuxième pompe à chaleur), typiquement de l'air ambiant ou de l'eau de refroidissement est envoyé à la deuxième pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 21. La colonne comprend un rebouilleur de cuve 33 et un condenseur de tête 35. Le rebouilleur (le liquide rebouilli dans le rebouilleur est la source chaude indirecte de la première pompe à chaleur) est chauffé au moyen d'un circuit de fluide 37 en lien avec une première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 31. Cette première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 31 sert également à refroidir un fluide 39 qui refroidit le condenseur de tête 35 (le gaz condensé dans le condenseur est la source froide indirecte de la première pompe à chaleur). Les fluides 37 et 39 peuvent être identiques ou différents. Un liquide 29 enrichi en oxygène est soutiré en cuve de la colonne 19 et un gaz 41 enrichi en azote se réchauffe dans l'échangeur 1 1 et sert, au moins en partie, ensuite à régénérer l'unité d'épuration 9. Un gaz 25 enrichi en oxygène est soutiré en cuve de la colonne 19, se réchauffe dans l'échangeur 1 1 et est comprimé par un compresseur 27.
Dans la Figure 2 à la différence de la Figure 1 , tout l'air refroidi 14 dans l'échangeur 1 1 est envoyé directement au milieu de la simple colonne 19. Par ailleurs, l'échangeur de chaleur 17 est intégré à la colonne 19 en étant disposé à l'intérieur de la colonne, soit au niveau de l'entrée d'air refroidi 14, soit préférentiellement quelques plateaux théoriques de distillation au dessus de l'introduction de l'air refroidi 14. L'échangeur de chaleur 17 permet de condenser en partie du gaz montant dans la colonne 19. Ceci permet à la fois un gain d'efficacité énergétique (environ 3 à 4%), mais aussi une architecture plus compacte et plus simple. On a ainsi, à la fois, la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 31 et apportant au moins en partie l'énergie de séparation, mais aussi la seconde pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 21 , apportant au moins une partie du froid nécessaire au maintien du bilan frigorifique de l'appareil, qui sont directement reliés à la colonne 19. Ainsi, il n'y a plus d'équipement intermédiaire entre l'échangeur 1 1 et la colonne 19 sur le débit d'air refroidi 14.
L'échangeur de chaleur 17 peut être placé entre deux distributeurs de liquide. Il peut être, par exemple, un échangeur tubulaire, un échangeur à plaques et ailettes brasée en aluminium. De façon préférentielle, l'échangeur de chaleur 17 fonctionne en mode déflegmateur du coté du fluide issu de la colonne 19.
Les Figures 3a, 3b et 4 montrent l'échangeur de chaleur 17 intégré à un distributeur de liquide/gaz de la colonne 19. Le distributeur en tant que tel est un distributeur classique, comme illustré dans WO-A-05/039726. Il s'agit d'un distributeur de fluides pour colonne d'échange de chaleur et de matière, comprenant une série de parois dressées parallèles adjacentes définissant des espaces alternes de gaz 103 et de liquide 101 , les espaces de liquide formant des goulottes. Les parois dressées sont séparées par des parois inférieures horizontales munies de rangées de trous 102. Au moins une portion de chaque paroi dressée est munie d'une rangée d'ouvertures 104, chaque paire de parois dressées adjacentes définissant un espace gaz 103.
Les parois horizontales sont fixées par leurs extrémités a une couronne périphérique rattachée à la virole de la colonne
Les espaces gaz 103 sont fermés vers le haut.
Le distributeur est disposé entre deux tronçons de moyens d'échange de matière et de chaleur, par exemple des tronçons de garnissage structuré.
La Figure 3a montre un arrangement où l'échangeur de chaleur 17 intégré à un distributeur de liquide et/ou gaz de la colonne 19 est de type tubulaire (coupe transversale). Les tubes 1 1 1 sont disposés dans les espaces gaz 103 du distributeur. Le gaz issu du tronçon inférieur de la colonne 19 monte dans les espaces gaz 103, se condense partiellement au contact des tubes 1 1 1. La partie condensée retombe en pluie sur le tronçon inférieur (ou éventuellement à travers un autre distributeur liquide), tandis que le reste du gaz passe à travers les ouvertures 104 des espaces gaz 103 pour rejoindre le tronçon supérieur de la colonne 19. Le fluide 23 passe à l'intérieur des tubes. Le liquide issu du tronçon supérieur de la colonne 19 est collecté dans des goulottes 101 , puis tombe en pluie (ou éventuellement à travers un autre distributeur liquide) sur le tronçon inférieur à travers les trous 102.
La Figure 3b diffère de la Figure 3a en ce que l'échangeur de chaleur 17 est de type échangeur à plaques et ailettes brasée en aluminium. L'échangeur de chaleur 17 est divisé en plusieurs parties 120 comportant chacune au moins: une pluralité de plaques, les plaques étant disposées parallèlement les unes aux autres, les plaques délimitant des passages conformes pour l'écoulement de fluide calorigène ou de fluide frigorigène; et des ailettes d'échange thermique qui s'étendent entre les plaques de façon a définir des passages, chaque passage étant adapté pour canaliser une partie du fluide calorigène (le gaz montant dans la colonne) ou une partie du fluide frigorigène (le fluide 23). Les différentes parties 120 de l'échangeur de chaleur 17 sont chacune disposée dans un espace gaz 103, dont deux sont illustrés ici. Le gaz issu du tronçon inférieur de la colonne 19 monte dans les espaces gaz 103, se condense partiellement dans les passages 122. La partie condensée retombe à contre-courant dans les passages 12 (fonctionnant en mode déflegmateur), puis en pluie sur le tronçon inférieur (ou éventuellement à travers un distributeur liquide), tandis que le reste du gaz sort des passages 122, puis passe à travers les ouvertures 104 des espaces gaz 103 pour rejoindre le tronçon supérieur de la colonne 19. Le fluide 23 passe à l'intérieur des passages 121 où il se refroidit. Les ailettes des passages 121 sont orientées de sorte que le sens d'écoulement du fluide 23 est dans le sens de la longueur de l'espace gaz.
La Figure 4 correspond à la Figure 3a en vue de dessous. Les trois paires de parois dressées sont séparées par deux parois inférieures horizontales munies chacune de trois rangées de trous 102. Chaque espace gaz 103 entre une paire de parois dressées est traversé par trois tubes parallèles 1 1 1 ayant la même longueur et alimentés par le fluide calorigène 23. D'autres nombres de tubes peuvent être envisagés. Les tubes 1 1 1 d'une même espace gaz 103 sont reliés à chaque extrémité formant une partie 1 10 de l'échangeur 17. Les trois extrémités à un bout sont reliées aux tubulures 1 15 et à l'autre bout aux tubulures 1 16. Les tubulures 1 15 et 1 16 correspondent à l'entrée/sortie du fluide 23. Les tubes parallèles de l'espace gaz central traversent diamétralement la section de la colonne 19 et les autres tubes parallèles sont disposés sur une corde de cette section.
La Figure 5 montre le cas où l'échangeur de chaleur 17 forme un seul bloc comportant au moins: une pluralité de plaques, les plaques étant disposées parallèlement les unes aux autres, les plaques délimitant des passages conformes pour l'écoulement de fluide calorigène ou de fluide frigorigène; et des ailettes d'échange thermique qui s'étendent entre les plaques de façon à définir des passages 121 ,122, chaque passage étant adapte pour canaliser une partie du fluide calorigène (le gaz montant dans la colonne) ou une partie du fluide frigorigène (le fluide 23). L'échangeur de chaleur est disposé sur toute la section de la colonne 19, avec un fonctionnement en déflegmateur à double entrée : le liquide du tronçon supérieur 131 de la colonne 19 ruisselle à travers l'échangeur de chaleur 17 vers le bas par les passages 122 ; le gaz du tronçon inférieur 132 de la colonne 19 traverse l'échangeur de chaleur 17, à travers les passages 122, une partie du gaz se condense et retombe à contre-courant vers le bas des passages 122, puis en pluie sur le tronçon inférieur 132 de la colonne 19, le reste de la vapeur sortant des passages 122 par le haut pour atteindre le tronçon supérieur 131 de la colonne 19. Cette configuration est favorisée avec une colonne 19 à section rectangulaire ou carrée. La présence de distributeur liquide et/ou gaz en entrée et/ou en sortie de l'échangeur de chaleur 17 est facultative. De façon préférentielle, l'échangeur de chaleur 17 s'appuie directement sur le tronçon inférieur 132, et le tronçon supérieur 131 s'appuie directement sur l'échangeur de chaleur 17. Le fluide 23 passe à l'intérieur des passages 121 où il se refroidit. Les ailettes des passages 121 sont orientées de sorte que le sens d'écoulement du fluide 23 est dans le sens de la longueur de l'espace gaz.
L'invention est décrite ici dans l'application de séparation de l'air à température cryogénique. Il est évident que l'invention s'applique également à d'autres séparations à températures subambiante par exemple à la séparation d'un mélange contenant du monoxyde de carbone et/ou d'hydrogène et/ou de l'azote et/ou du méthane.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de séparation d'un mélange, par exemple de gaz de l'air, par séparation à température subambiante, voire cryogénique par distillation et/ou par déflegmation et/ou par absorption dans lequel :
a) au moins une première pompe à chaleur (31 ), dite pompe à chaleur de séparation, échange de la chaleur directement ou indirectement entre une première source froide (39) à température subambiante, voire cryogénique et une première source chaude (37) à température subambiante, voire cryogénique apportant ainsi au moins en partie l'énergie de séparation, et
b) au moins une deuxième pompe à chaleur (21 ), échange de la chaleur directement ou indirectement entre une deuxième source froide (17) à une première température subambiante, voire cryogénique et une deuxième source chaude (51 ) à une température supérieure à la première température subambiante, par exemple à la température ambiante, condense directement ou indirectement un fluide issu de la colonne unique (19) ou de la colonne de l'ensemble, la séparation du mélange s'effectuant dans une colonne unique (19) ou un ensemble de colonnes, la première source froide et la première source chaude étant reliées thermiquement, directement ou indirectement, à une seule colonne, pouvant être la colonne unique ou une colonne de l'ensemble et
caractérisé par le fait que l'au moins une première pompe à chaleur et l'au moins une deuxième pompe à chaleur utilisent l'effet magnétocalorique et que l'au moins une deuxième pompe à chaleur est une pompe à chaleur dite de bilan frigorifique qui apporte au moins une partie du froid nécessaire au maintien du bilan frigorifique du procédé.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la première pompe à chaleur (31 ), dite de séparation transfère de la chaleur directement ou indirectement de la tête de la colonne unique (19) ou de la colonne de l'ensemble, préférentiellement par condensation de gaz de la colonne ou de la colonne de l'ensemble, vers la cuve de la colonne ou de la colonne de l'ensemble, préférentiellement par vaporisation de liquide de la colonne unique ou de la colonne de l'ensemble ; un échange thermique est au moins en partie réalisé entre un fluide issu de la séparation de la colonne (19) ou de la colonne de l'ensemble et un fluide caloporteur ayant été en contact avec un matériau magnétocalorique de la deuxième pompe à chaleur (21 ), à travers un échangeur de chaleur (17), intégré à la colonne (19) ou à la colonne de l'ensemble.
3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel la colonne unique ou la colonne de l'ensemble contient des moyens d'échange de matière et de chaleur constitués par des garnissages structurés et un distributeur pour répartir du liquide au dessus des moyens d'échange de matière et de chaleur, l'échangeur de chaleur (17) étant disposé dans le distributeur de la colonne (19) ou de la colonne de l'ensemble.
4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le distributeur comprend une série de parois dressées parallèles adjacentes définissant des espaces alternes de gaz (103) et de liquide (101 ), des parois dressées étant séparées par des parois inférieures horizontales munies d'une rangée de trous (102), au moins une portion de chaque paroi dressée (1 1 ) étant munie d'une rangée d'ouvertures (104), chaque paire de parois dressées adjacentes définissant un espace gaz, l'échangeur de chaleur (17) étant disposé au moins partiellement dans au moins un des espaces gaz.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'échangeur de chaleur (17) comporte des tubes (1 1 1 ) dans lesquels coule le fluide (23).
6. Procédé selon les revendications 4 et 5 dans lequel au moins une partie de certains tubes (1 1 1 ) est disposé dans un espace gaz (103).
7. Procédé selon la revendication 5 ou 6 dans lequel au moins un tube de l'échangeur de chaleur (17) traverse, de préférence diamétralement, toute la section de la colonne (19) ou de la colonne de l'ensemble.
8. Procédé selon les revendications 1 à 4 dans lequel l'échangeur de chaleur (17) est un échangeur à plaques et ailettes brasées en aluminium, l'échangeur de chaleur comportant, ou étant divisé en plusieurs parties (120) comportant chacune, au moins: une pluralité de plaques, les plaques étant disposées parallèlement les unes aux autres, les plaques délimitant des passages (121 , 122) conformes pour l'écoulement de fluide calorigène ou de fluide frigorigène; et des ailettes d'échange thermique qui s'étendent entre les plaques de façon à définir des passages, chaque passage étant adapté pour canaliser une partie du gaz montant dans la colonne (19) ou de la colonne de l'ensemble ou une partie du fluide (23).
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'échangeur de chaleur (17) est placé entre quelques plateaux théoriques d'échange de masse et de chaleur au dessus de l'introduction du mélange (14) dans la colonne (19) ou d'une colonne de l'ensemble.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la pression de la colonne unique ou des colonnes de l'ensemble est inférieure à 2 bara, préférentiellement inférieure à 1 ,5 bara, préférentiellement à au moins une pression qui ne diffère de la pression atmosphérique que par les pertes de charges des éléments reliant la ou les colonnes avec l'atmosphère.
1 1. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le mélange est de l'air.
12. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la deuxième source chaude est disposée en dehors de la colonne unique ou de la colonne de l'ensemble.
13. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la deuxième source chaude est à une température plus élevée que la première source chaude.
14. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la deuxième source chaude est à la température ambiante.
15. Appareil de séparation d'un mélange de gaz de l'air par un procédé de séparation à température subambiante, voire cryogénique par distillation et/ou par déflegmation et/ou par absorption comprenant une colonne unique (19) ou un ensemble de colonnes où s'effectue la séparation subambiante, voire cryogénique, des moyens pour envoyer un mélange de gaz de l'air vers la colonne ou une colonne de ensemble, des moyens pour soutirer au moins un fluide enrichi en un composant du mélange de la colonne, au moins une première pompe à chaleur (31 ), dite pompe à chaleur de séparation, pour échanger de la chaleur directement ou indirectement entre une source froide à température subambiante, voire cryogénique et une source chaude à température subambiante, voire cryogénique apportant ainsi au moins en partie l'énergie de séparation et au moins une deuxième pompe à chaleur (21 ), dite pompe à chaleur de bilan frigorifique, pour échanger de la chaleur directement ou indirectement entre une source froide à une première température subambiante, voire cryogénique et une source chaude à température supérieure à la première température, par exemple à la température ambiante, condensant directement ou indirectement un fluide issu de la colonne unique (19) ou de la colonne de l'ensemble à travers un échangeur de chaleur (17) intégré à la colonne unique (19) ou de la colonne de l'ensemble, la première source froide et la première source chaude étant reliées thermiquement, directement ou indirectement, à la colonne unique ou à la colonne de l'ensemble, caractérisé en ce que l'au moins une première pompe à chaleur et l'au moins une deuxième pompe à chaleur utilisent l'effet magnétocalorique, l'au moins une deuxième pompe à chaleur (21 ), dite de bilan frigorifique comprend des moyens pour apporter au moins une partie du, voire tout le froid nécessaire au maintien du bilan frigorifique du procédé.
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