WO2016132087A2 - Procede et appareil de separation a temperature subambiante - Google Patents

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    • F25J2270/908—External 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
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]

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 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. I! 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.
  • the coolant used in the magnetocaloric heat pump called separation circulates in a closed circuit.
  • US-A-6199403 discloses a single heat pump with a separation energy supply function and a refrigerant maintenance function.
  • the present invention addresses the problem of simplifying the implementation by using a fluid from the process as heat transfer fluid, the latter being brought into contact with a magnetocaloric material, in a semi-open circuit.
  • This eliminates the exchanger (condenser or vaporizer) on the side of the heat pump where the process fluid comes from.
  • it is no longer necessary to manage the heat transfer fluid as a function of the different temperature levels: when the process fluid is available in liquid form because the temperature level is adequate in the process, it is used; when it is not available (gaseous for example), it is the "process that manages it". It becomes "natural”.
  • 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. According to one object of the invention, there is provided a method for separating a mixture, for example gas from air, by separation at subambient temperature, or even cryogenic in which:
  • At. at least one first heat pump using the magnetocaloric effect, said heat pump separation, heat exchange directly or indirectly between a first cold source at subambient temperature or cryogenic and a first hot source at subambient temperature or cryogenic thus providing at least part of the separation energy
  • At least one second heat pump using the magnetocaloric effect, called the cooling balance heat pump, exchanging heat directly or indirectly between a second cold source at a first subambient temperature or even a cryogenic temperature and a second hot source at a temperature higher than the first temperature, for example at room temperature,
  • the separation is carried out in a single column or set of columns, the first heat sink and the first heat source being thermally connected, directly or indirectly, to the single column or to a column of the assembly and the heat transfer fluid passing through the first heat pump, called separation, is from the first cold source or the first hot source
  • the at least one first and second heat pumps use the magnetocaloric effect
  • the coolant passing through the first heat pump is in contact with at least one magnetocaloric material
  • the at least one second pump heat provides at least part of the cold necessary to maintain the refrigeration balance of the process.
  • the heat transfer fluid from the first cold or hot source is a liquid.
  • 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.
  • the second heat pump called refrigerant balance condensing directly or indirectly a fluid from the single column or 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 coolant having been in contact with the magnetocaloric material of the second heat pump through a heat exchanger of heat, built into 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 assembly.
  • a liquid is obtained from the first cold source, is compressed and then sent as heat transfer fluid through the first heat pump using the magnetocaloric effect where it heats up in contact with at least one magnetocaloric material, then gives up its heat to the first hot source where it cools, is then again sent to the first heat pump using the magnetocaloric effect where it cools again in contact with at least one magnetocaloric material, is then relaxed, and sent to the first cold source to give up its frigories.
  • a liquid is issued from the first hot source, is compressed, and then sent as heat transfer fluid through the first heat pump using the magnetocaloric effect where it cools in contact with at least one magnetocaloric material, then sells its frigories to the first cold source where it heats up, is then again sent to the first heat pump using the magnetocaloric effect where it heats up again in contact with at least one magnetocaloric material, is then relaxed, and sent to the first source cold to give up its heat.
  • the liquid coming from the first cold source is liquid from the head of the single column or from a column of the assembly, characterized in that the pressure at delivery of the pump is sufficient to maintain in liquid form the liquid thus heated in contact with at least one magnetocaloric material of the first heat pump using the magnetocaloric effect, in that it is expanded in a valve and / or a turbine, to form a subcooled liquid, in that this subcooled liquid is then sent to the top of the single column or column of the assembly, where it condenses by direct contact a portion of the rising gas in the single column or column of the set, ensuring the reflux of the single column or column of the set.
  • the liquid from the first hot source is liquid from the tank of the single column or from a column of the assembly, characterized in that the discharge pressure of the pump is sufficient to maintain in liquid form the liquid again heated in contact with at least one magnetocaloric material of the first heat pump using the magnetocaloric effect, in that it is expanded in a valve and / or a turbine, to form a two-phase fluid, in that this two-phase fluid is then sent to the vat of the single column or column of the set, where its gaseous portion rises in the single column or column of the set, ensuring the reboiling of the single column or column from the whole.
  • 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.
  • a heat exchange is at least partly performed between a fluid to be separated and / or resulting from the separation of the column or a column from the assembly and a heat transfer fluid that has been in contact with the magnetocaloric material of the first pump to heat through an exchanger.
  • a heat exchange is at least partly performed between a fluid to be separated and / or resulting from the separation of the column or a column from the assembly and a heat transfer fluid that has been in contact with the magnetocaloric material of the first pump to heat through an intermediate heat transport circuit.
  • the mixture is air.
  • the second heat pump condenses directly or indirectly at least partially the air before introduction of air into the single column or into a column of the assembly.
  • the second heat pump totally or directly condenses part of the air before introducing the part of the air totally condensed in the single column or in a column of the assembly, preferentially above the feed of the rest of the air; the 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 at least one first heat pump does not bring cold necessary to maintain the refrigeration balance.
  • the at least one second heat pump does not provide separation energy.
  • the at least one second heat pump provides all the cold necessary to maintain the refrigeration balance.
  • the first hot source operates at a lower temperature than that of the second hot source.
  • the first cold source operates at a lower temperature than the second cold source.
  • an apparatus for separating a mixture, for example air gas, by a subambient or even cryogenic separation process comprising a single column or a set of columns.
  • the subambient or even cryogenic separation is carried out, means for sending a mixture, for example gas from the air, to the column or a set column, means for withdrawing at least one fluid enriched in a component of the mixture of the column or an assembly column, at least a first heat pump, called a heat pump separation, to exchange heat directly or indirectly between a first cold source at subambient temperature, or cryogenic and a first hot source at subambient temperature, or even cryogenic thus providing at least partly the energy of separation and at least a second heat pump, for exchanging heat directly or indirectly between a second cold source at a first subambient temperature or cryogenic and a second hot source at a temperature higher than the first temperature, for example at room temperature, the first cold source and the first hot source being thermally connected, directly or indirectly, to the single column or to a column
  • the apparatus comprises means for withdrawing a liquid from the head of a single column or set of columns, compressing it and then sending it as heat transfer fluid through the first heat pump using the magnetocaloric effect where it is heated to contacting at least one magnetocaloric material, cooling it to the first hot source, returning it to the first heat pump using the magnetocaloric effect where it cools again in contact with at least one magnetocaloric material, relaxing it, and return it to the top of the single column or set of columns, warm it up against the rising gas in the single column or set of columns.
  • the apparatus comprises means for withdrawing a liquid from the tank of a single column or set of columns, compressing it and then sending it as heat transfer fluid through the first heat pump using the magnetocaloric effect where it cools at contacting at least one magnetocaloric material, heating it to the first cold source, returning it to the first heat pump using the effect magnetocaloric where it warms up again in contact with at least one magnetocaloric material, relax it, and return it to the vat of 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 does not include a fluid expansion turbine from or for the single column or set of columns
  • Figure 1 illustrates a method as described in FR-A-3010509.
  • a flow of gaseous air 1 is compressed in a compressor 3 and cooled in a cooler 5 to form compressed and cooled air 7.
  • 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 in connection 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 overhead condenser 35 (the condensed 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.
  • Figure 2 proposes a first implementation according to the invention.
  • a flow of gaseous air 1 is compressed in a compressor 3 and cooled in a cooler 5 to form compressed and cooled air 7.
  • 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. All the cooled air 14 in the exchanger 11 is sent directly to the middle of the single column 19 where it separates to form nitrogen-enriched gas 41 at the top of the column 19 and an oxygen-enriched liquid 29 in the bottom of the column 19. the column 19.
  • the heat exchanger 17 is integrated in the column 19, either at the cooled air inlet 14, or preferably some theoretical distillation trays above the introduction of the cooled air 14.
  • the heat exchanger 17 makes it possible to partially condense the rising gas in the column 19 (indirect heat sink of the second heat pump) 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 does not include a head condenser.
  • a liquid 39 is withdrawn at the top of the column 19, compressed in the pump 38, and then sent as heat transfer fluid to through a first heat pump using the magnetocaloric effect 31 where it is heated in contact with at least one magnetocaloric material.
  • the discharge pressure of the pump 38 must be sufficient to maintain in liquid form the liquid 39 thus heated.
  • the liquid 39 thus heated yields its heat to the reboiler 33 where it cools. It is then again sent to the first heat pump using the magnetocaloric effect 31 where it cools again in contact with at least one magnetocaloric material, to form a subcooled liquid. It is then expanded in an expansion valve 36 to form a subcooled liquid.
  • the subcooled liquid is then sent to the top of the column 19, where it condenses by direct contact a portion of the gas rising in the column, ensuring the reflux of the column 19.
  • the condensation by direct contact can be done through a fine spray liquid, or using a contact surface, for example packings.
  • the expansion valve 36 may be replaced by a turbine and may be coupled with the pump 38 or a generator, to reduce the power consumption of the pump 38.
  • An oxygen-enriched liquid 29 is withdrawn in the bottom of the column 19 and a nitrogen-enriched gas 41 is heated in the heat exchanger 11 and serves, at least in part, subsequently to regenerate the purification unit 9.
  • An oxygen-enriched gas is withdrawn in the bottom of the column 19, and is heated up in the exchanger 11 and is compressed by a compressor 27.
  • Figure 3 proposes a second implementation according to the invention.
  • the figure differs from FIG. 2, in that the heat transfer fluid of the second heat pump comes from the tank of the column 19 and the column does not comprise a bottom reboiler, but comprises a head condenser 35.
  • the liquid 37 thus cooled yields cold to the head condenser 35 where it heats up. It is then again sent to the first heat pump using the magnetocaloric effect 31 where it heats up again in contact with at least one magnetocaloric material, to form a superheated liquid.
  • the discharge pressure of the pump must be sufficient to maintain in liquid form the liquid 37 and overheated. It is then expanded in a valve 36, to form a two-phase fluid. The two-phase fluid is then sent to the column vessel 19, where its gaseous portion rises in the column 19, ensuring the reboiling of the column 19.
  • the expansion valve may be replaced by a turbine and may be coupled with the pump or to a generator, to reduce the power consumption of the pump.
  • the arrangement proposed in FIG. 3 makes it possible to have a lower delivery pressure of the pump 38 than in the arrangement of FIG. 2, thus reducing the energy consumption of the pump 38.
  • 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), utilisant 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), utilisant 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) et le fluide caloporteur (37,39) traversant la première pompe à chaleur (31) au contact d'au moins un matériau magnétocalorique est issu de la première source froide ou de la première source chaude.

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. I! 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. Le fluide caloporteur utilisé dans la pompe à chaleur magnétocalorique dite de séparation circule dans un circuit fermé. Dans le cas où on utilise un fluide qui ne reste liquide qu'en fonctionnement normal, mais qui devient gazeux à température plus élevée, voire ambiante, par exemple lors de phases transitoire ou de démarrage (typiquement de l'azote, de l'air ou de l'oxygène pour un appareil de séparation d'air), cela complique le système pour gérer ces phases : par exemple, il est nécessaire d'avoir un système de maintien en pression, un système d'injection du fluide caloporteur une fois le bon niveau de température atteint. « Recuperative vapor recompression heat pumps in cryogénie air séparation processes » de Fu et al, Energy 59, 2013, p 708-718 décrit un procédé selon le préambule de la revendication 1. C'est une turbine d'azote comprimé qui apporte les frigories nécessaires au bilan frigorifique pour le procédé et les pompes à chaleur apportent uniquement de l'énergie de séparation. Cette compression d'azote consomme évidemment de l'énergie.
US-A-6199403 décrit une seule pompe à chaleur avec une fonction d'apport d'énergie de séparation et une fonction de maintien de bilan frigorifique.
US-A-20130219958 décrit deux pompes à chaleur, aucune desquelles ne participe au bilan frigorifique.
La présente invention adresse le problème de simplifier la mise en œuvre en utilisant un fluide issu du procédé comme fluide caloporteur, celui-ci étant mis en contact avec un matériau magnétocalorique, dans un circuit semi-ouvert. Cela permet de supprimer l'échangeur (condenseur ou vaporiseur) du coté de la pompe à chaleur d'où provient le fluide procédé. Ainsi, on n'a plus besoin de gérer le fluide caloporteur en fonction des différents niveaux de température : lorsque le fluide procédés est disponible sous forme liquide car le niveau de température est adéquat dans le procédé, on l'utilise ; lorsqu'il n'est pas disponible (gazeux par exemple), c'est le « procédé qui le gère ». Cela devient « naturel ».
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 dans lequel :
a. au moins une première pompe à chaleur, utilisant l'effet magnétocalorique, 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, utilisant l'effet magnétocalorique, dite pompe à chaleur de bilan frigorifique, 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, par exemple à la température ambiante,
la séparation s'effectue 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 la colonne unique ou à une colonne de l'ensemble et le fluide caloporteur traversant la première pompe à chaleur, dite de séparation, est issu de la première source froide ou de la première source chaude
caractérisé par le fait que l'au moins une première et deuxième pompes à chaleur utilisent l'effet magnétocalorique, le fluide caloporteur traversant la première pompe à chaleur, est au contact d'au moins un matériau magnétocalorique et l'au moins une deuxième pompe à chaleur apporte au moins une partie du froid nécessaire au maintien du bilan frigorifique du procédé.
Selon d'autres caractéristiques facultatives :
- le fluide caloporteur issu de la première source froide ou chaude est un liquide.
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.
- la deuxième pompe à chaleur, dite de bilan frigorifique condensant directement ou indirectement un fluide issu de la colonne unique ou d'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.
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.
- un liquide est issu de la première source froide, est comprimé, puis envoyé comme fluide caloporteur à travers la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique où il se réchauffe au contact d'au moins un matériau magnétocalorique, puis cède sa chaleur à la première source chaude où il se refroidit, est ensuite de nouveau envoyé dans la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique où il se refroidit de nouveau au contact d'au moins un matériau magnétocalorique, est ensuite détendu, et envoyé à la première source froide pour céder ses frigories.
un liquide est issu de la première source chaude, est comprimé, puis envoyé comme fluide caloporteur à travers la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique où il se refroidit au contact d'au moins un matériau magnétocalorique, puis cède ses frigories à la première source froide où il se réchauffe, est ensuite de nouveau envoyé dans la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique où il se réchauffe de nouveau au contact d'au moins un matériau magnétocalorique, est ensuite détendu, et envoyé à la première source froide pour céder sa chaleur.
- le liquide issu de la première source froide est du liquide de la tête de la colonne unique ou d'une colonne de l'ensemble, caractérisé en ce que la pression au refoulement de la pompe est suffisante pour maintenir sous forme liquide le liquide ainsi réchauffé au contact d'au moins un matériau magnétocalorique de la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique, en ce qu'il est détendu dans une vanne et/ou une turbine, pour former un liquide sous-refroidi, en ce que ce liquide sous-refroidi est ensuite envoyé en tête de la colonne unique ou d'une colonne de l'ensemble, où il condense par contact direct une partie du gaz montant dans la colonne unique ou d'une colonne de l'ensemble, assurant le reflux de la colonne unique ou d'une colonne de l'ensemble.
le liquide issu de la première source chaude est du liquide de la cuve de la colonne unique ou d'une colonne de l'ensemble, caractérisé en ce que la pression au refoulement de la pompe est suffisante pour maintenir sous forme liquide le liquide de nouveau réchauffé au contact d'au moins un matériau magnétocalorique de la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique, en ce qu'il est détendu dans une vanne et/ou une turbine, pour former un fluide diphasique, en ce que ce fluide diphasique est ensuite envoyé en cuve de la colonne unique ou d'une colonne de l'ensemble, où sa partie gazeuse monte dans la colonne unique ou d'une colonne de l'ensemble, assurant le rebouillage de la colonne unique ou d'une colonne de l'ensemble.
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.
un échange thermique est au moins en partie réalisé entre un fluide à séparer et/ou 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 première pompe à chaleur à travers un échangeur.
un échange thermique est au moins en partie réalisé entre un fluide à séparer et/ou 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 première pompe à chaleur à travers un circuit caloporteur intermédiaire. le mélange est de l'air.
la deuxième pompe à chaleur condense directement ou indirectement au moins partiellement l'air avant introduction de l'air dans la colonne unique ou dans une colonne de l'ensemble.
- la deuxième pompe à chaleur condense totalement directement ou indirectement une partie de l'air avant introduction la partie de l'air totalement condensée dans la colonne unique ou dans une colonne de l'ensemble, préférentiellement au dessus de l'alimentation du reste 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.
-l'au moins une première pompe à chaleur n'apporte pas de froid nécessaire au maintien du bilan frigorifique.
- l'au moins une deuxième pompe à chaleur n'apporte pas d'énergie de séparation.
l'au moins une deuxième pompe à chaleur apporte tout le froid nécessaire au maintien du bilan frigorifique.
la première source chaude opère à une température inférieure à celle de la deuxième source chaude.
la première source froide opère à une température inférieure à celle de la deuxième source froide.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'un mélange, par exemple de gaz de l'air, par un procédé de séparation à température subambiante, voire cryogénique comprenant une colonne unique ou un ensemble de colonnes où s'effectue la séparation subambiante, voire cryogénique, des moyens pour envoyer un mélange, par exemple 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 ou une colonne de ensemble, au moins une première pompe à chaleur, dite pompe à chaleur de séparation, pour échanger 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 au moins une deuxième pompe à chaleur, pour échanger 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, par exemple à la température ambiante, la première source froide et la première source chaude étant reliées thermiquement, directement ou indirectement, à la colonne unique ou à une colonne de l'ensemble, des moyens pour qu'un fluide caloporteur traversant la première pompe à chaleur, dite de séparation, soit issu de la première source froide ou de la première source chaude caractérisé en ce que l'au moins une première et l'au moins une deuxième pompes à chaleur utilisent l'effet magnétocalorique, le fluide caloporteur est au contact d'au moins un matériau magnétocalorique et la deuxième pompe à chaleur est une pompe à chaleur de bilan frigorifique et est agencée pour apporter ainsi au moins une partie du froid nécessaire au maintien du bilan frigorifique du procédé..
Selon d'autres objets facultatifs :
l'appareil comprend des moyens pour soutirer un liquide de la tête d'une colonne unique ou un ensemble de colonnes, le comprimer puis l'envoyer comme fluide caloporteur à travers la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique où il se réchauffe au contact d'au moins un matériau magnétocalorique, le refroidir à la première source chaude, le renvoyer dans la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique où il se refroidit de nouveau au contact d'au moins un matériau magnétocalorique, le détendre, et le renvoyer en tête de la colonne unique ou de l'ensemble de colonnes, le réchauffer contre le gaz montant dans la colonne unique ou de l'ensemble de colonnes.
l'appareil comprend des moyens pour soutirer un liquide de la cuve d'une colonne unique ou un ensemble de colonnes, le comprimer puis l'envoyer comme fluide caloporteur à travers la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique où il se refroidit au contact d'au moins un matériau magnétocalorique, le réchauffer à la première source froide, le renvoyer dans la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique où il se réchauffe de nouveau au contact d'au moins un matériau magnétocalorique, le détendre, et le renvoyer en cuve de la colonne unique.
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 ne comprend pas de turbine de détente d'un fluide provenant de ou destiné à la colonne unique ou l'ensemble de colonnes
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 et 3.
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.
La Figure 2 propose une première mise en œuvre selon l'invention. 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. Tout l'air refroidi 14 dans l'échangeur 1 1 est envoyé directement au milieu de la simple colonne 19 où il 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. L'échangeur de chaleur 17 est intégré à la colonne 19, 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 (source froide indirecte de la deuxième pompe à chaleur) 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 ne comprend pas de condenseur de tête. Un liquide 39 est soutiré en tête de la colonne 19, comprimé dans la pompe 38, puis envoyé comme fluide caloporteur à travers une première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 31 où il se réchauffe au contact d'au moins un matériau magnétocalorique. La pression au refoulement de la pompe 38 doit être suffisante pour maintenir sous forme liquide le liquide 39 ainsi réchauffé. Le liquide 39 ainsi réchauffé cède sa chaleur au rebouilleur de cuve 33 où il se refroidit. Il est ensuite de nouveau envoyé dans la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 31 où il se refroidit de nouveau au contact d'au moins un matériau magnétocalorique, pour former un liquide sous-refroidi. Il est ensuite détendu dans une vanne de détente 36, pour former un liquide sous-refroidi. Le liquide sous-refroidi est ensuite envoyé en tête de colonne 19, où il condense par contact direct une partie du gaz montant dans la colonne, assurant le reflux de la colonne 19. La condensation par contact direct peut être fait grâce à une pulvérisation fine du liquide, ou encore à l'aide d'une surface de contact, par exemple des garnissages. La vanne de détente 36 peut être remplacée par une turbine et être éventuellement couplée avec la pompe 38 ou encore à une génératrice, pour réduire la consommation électrique de la pompe 38. 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.
La Figure 3 propose une deuxième mise en œuvre selon l'invention. La figure diffère de la Figure 2, en ce que le fluide caloporteur de la seconde pompe à chaleur provient de la cuve de la colonne 19 et la colonne ne comprend pas un rebouilleur de cuve, mais comprend un condenseur de tête 35. Un liquide 37 est soutiré en cuve de la colonne 19, comprimé dans la pompe 38, puis envoyé comme fluide caloporteur à travers une première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 31 où il se refroidit au contact d'au moins un matériau magnétocalorique. Le liquide 37 ainsi refroidi cède son froid au condenseur de tête 35 où il se réchauffe. Il est ensuite de nouveau envoyé dans la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique 31 où il se réchauffe de nouveau au contact d'au moins un matériau magnétocalorique, pour former un liquide surchauffé. La pression au refoulement de la pompe doit être suffisante pour maintenir sous forme liquide le liquide 37 ainsi surchauffé. Il est ensuite détendu dans une vanne 36, pour former un fluide diphasique. Le fluide diphasique est ensuite envoyé en cuve de colonne 19, où sa partie gazeuse monte dans la colonne 19, assurant le rebouillage de la colonne 19. La vanne de détente peut être remplacée par une turbine et être éventuellement couplée avec la pompe ou encore à une génératrice, pour réduire la consommation électrique de la pompe.
L'arrangement proposé dans la Figure 3 permet d'avoir une pression de refoulement de la pompe 38 plus faible que dans l'arrangement de la Figure 2, réduisant ainsi la consommation énergétique de la pompe 38.
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 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 ), dite pompe à chaleur de bilan frigorifique, échange de la chaleur directement ou indirectement entre une deuxième source froide (23) à une première température subambiante, voire cryogénique et une deuxième source chaude (51 ) à une température supérieure à la première température, par exemple à la température ambiante,
la séparation s'effectue 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 la colonne unique ou à une colonne de l'ensemble et le fluide caloporteur (37,39) traversant la première pompe à chaleur (31 ), dite de séparation, au contact d'au moins un matériau magnétocalorique est issu de la première source froide ou de la première source chaude,
caractérisé par le fait que l'au moins une première et l'au moins une deuxième pompes à chaleur utilisent l'effet magnétocalorique, le fluide caloporteur (37,39) traversant la première pompe à chaleur (31 ), dite de séparation, est au contact d'au moins un matériau magnétocalorique et l'au moins une deuxième pompe à chaleur 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 d'une colonne de l'ensemble, préférentiellement par condensation de gaz de la colonne ou d'une colonne de l'ensemble, vers la cuve de la colonne ou d'une colonne de l'ensemble, préférentiellement par vaporisation de liquide de la colonne unique ou d'une colonne de l'ensemble.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel un liquide (39) est issu de la première source froide, est comprimé, puis envoyé comme fluide caloporteur à travers la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique (31 ) où il se réchauffe au contact d'au moins un matériau magnétocalorique, puis cède sa chaleur à la première source chaude où il se refroidit, est ensuite de nouveau envoyé dans la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique (31 ) où il se refroidit de nouveau au contact d'au moins un matériau magnétocalorique, est ensuite détendu, et envoyé à la première source froide pour céder ses frigories.
4. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel un liquide (37) est issu de la première source chaude, est comprimé, puis envoyé comme fluide caloporteur à travers la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique (31 ) où il se refroidit au contact d'au moins un matériau magnétocalorique, puis cède ses frigories à la première source froide où il se réchauffe, est ensuite de nouveau envoyé dans la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique (31 ) où il se réchauffe de nouveau au contact d'au moins un matériau magnétocalorique, est ensuite détendu, et envoyé à la première source froide pour céder sa chaleur.
5. Procédé selon la revendication 3 dans lequel un liquide (39) issu de la première source froide est du liquide de la tête de la colonne unique (19) ou d'une colonne de l'ensemble, caractérisé en ce que la pression au refoulement de la pompe (38) est suffisante pour maintenir sous forme liquide le liquide (39) ainsi réchauffé au contact d'au moins un matériau magnétocalorique de la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique (31 ), en ce qu'il est détendu dans une vanne (36) et/ou une turbine, pour former un liquide sous-refroidi, en ce que ce liquide sous-refroidi est ensuite envoyé en tête de la colonne unique (19) ou d'une colonne de l'ensemble, où il condense par contact direct une partie du gaz montant dans la colonne unique (19) ou d'une colonne de l'ensemble, assurant le reflux de la colonne unique (19) ou d'une colonne de l'ensemble.
6. Procédé selon la revendication 4 dans lequel un liquide (37) issu de la première source chaude est du liquide de la cuve de la colonne unique (19) ou d'une colonne de l'ensemble, caractérisé en ce que la pression au refoulement de la pompe (38) est suffisante pour maintenir sous forme liquide le liquide (37) de nouveau réchauffé au contact d'au moins un matériau magnétocalorique de la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique (31 ), en ce qu'il est détendu dans une vanne (36) et/ou une turbine, pour former un fluide diphasique, en ce que ce fluide diphasique est ensuite envoyé en cuve de la colonne unique (19) ou d'une colonne de l'ensemble, où sa partie gazeuse monte dans la colonne unique (19) ou d'une colonne de l'ensemble, assurant le rebouillage de la colonne unique (19) ou d'une colonne de l'ensemble.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le mélange est de l'air.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'au moins une première pompe à chaleur n'apporte pas de froid nécessaire au maintien du bilan frigorifique.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'au moins une deuxième pompe à chaleur n'apporte pas d'énergie de séparation.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'au moins une deuxième pompe à chaleur apporte tout le froid nécessaire au maintien du bilan frigorifique.
1 1. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la première source chaude opère à une température inférieure à celle de la deuxième source chaude.
12. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la première source froide opère à une température inférieure à celle de la deuxième source froide.
13. Appareil de séparation d'un mélange de gaz de l'air par un procédé de séparation à température subambiante, voire cryogénique 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 ), utilisant l'effet magnétocalorique, 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 ), 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, la première source froide et la première source chaude étant reliées thermiquement, directement ou indirectement, à la colonne unique ou à une colonne de l'ensemble, des moyens pour qu'un fluide caloporteur (37,39) traversant la première pompe à chaleur (31 ), dite de séparation, soit issu de la première source froide ou de la première source chaude caractérisé en ce que la première et la deuxième pompes à chaleur utilisent l'effet magnétocalorique, le fluide caloporteur est au contact d'au moins un matériau magnétocalorique et la deuxième pompe à chaleur est une pompe à chaleur de bilan frigorifique et est agencée pour apporter ainsi au moins une partie du froid nécessaire au maintien du bilan frigorifique du procédé.
14. Appareil selon la revendication 13 comprenant des moyens pour soutirer un liquide de la tête d'une colonne unique (19) ou un ensemble de colonnes, le comprimer puis l'envoyer comme fluide caloporteur à travers la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique (31 ) où il se réchauffe au contact d'au moins un matériau magnétocalorique, le refroidir à la première source chaude, le renvoyer dans la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique (31 ) où il se refroidit de nouveau au contact d'au moins un matériau magnétocalorique, le détendre, et le renvoyer en tête de la colonne unique (19) ou de l'ensemble de colonnes.
15. Appareil selon la revendication 13 comprenant des moyens pour soutirer un liquide de la cuve d'une colonne unique (19) ou un ensemble de colonnes, le comprimer puis l'envoyer comme fluide caloporteur à travers la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique (31 ) où il se refroidit au contact d'au moins un matériau magnétocalorique, le réchauffer à la première source froide, le renvoyer dans la première pompe à chaleur utilisant l'effet magnétocalorique (31 ) où il se réchauffe de nouveau au contact d'au moins un matériau magnétocalorique, le détendre, et le renvoyer en cuve de la colonne unique (19).
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2916888A (en) 1955-12-29 1959-12-15 Phillips Petroleum Co Hydrocarbon purification process
US6199403B1 (en) 1998-02-09 2001-03-13 Exxonmobil Upstream Research Company Process for separating a multi-component pressurizied feed stream using distillation
US6502404B1 (en) 2001-07-31 2003-01-07 Praxair Technology, Inc. Cryogenic rectification system using magnetic refrigeration
EP2551005A1 (fr) 2011-07-28 2013-01-30 General Electric Company Système et procédé pour éliminer le dioxyde de carbone
US20130219958A1 (en) 2012-02-23 2013-08-29 Air Products And Chemicals, Inc. He-3 recovery from natural helium by distillation
FR3010509A1 (fr) 2013-09-10 2015-03-13 Air Liquide Procede et appareil de separation a temperature subambiante

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1310514A (en) * 1969-07-02 1973-03-21 Bligh B R Process of contunuous distillation
DE3843065A1 (de) * 1988-12-21 1990-06-28 Linde Ag Verfahren und vorrichtung zur kaelteerzeugung durch einen magnetokalorischen kreisprozess
US20080016907A1 (en) * 2006-07-18 2008-01-24 John Arthur Barclay Active gas regenerative liquefier system and method
FR3010510B1 (fr) * 2013-09-10 2017-12-29 L'air Liquide Sa Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Procede et appareil de separation a temperature subambiante

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2916888A (en) 1955-12-29 1959-12-15 Phillips Petroleum Co Hydrocarbon purification process
US6199403B1 (en) 1998-02-09 2001-03-13 Exxonmobil Upstream Research Company Process for separating a multi-component pressurizied feed stream using distillation
US6502404B1 (en) 2001-07-31 2003-01-07 Praxair Technology, Inc. Cryogenic rectification system using magnetic refrigeration
EP2551005A1 (fr) 2011-07-28 2013-01-30 General Electric Company Système et procédé pour éliminer le dioxyde de carbone
US20130219958A1 (en) 2012-02-23 2013-08-29 Air Products And Chemicals, Inc. He-3 recovery from natural helium by distillation
FR3010509A1 (fr) 2013-09-10 2015-03-13 Air Liquide Procede et appareil de separation a temperature subambiante

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FU ET AL.: "Recuperative vapor recompression heat pumps in cryogenic air separation processes", ENERGY, vol. 59, 2013, pages 708 - 718, XP055103107, DOI: doi:10.1016/j.energy.2013.06.055

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