Brevet FR3012876A1 — publié le 20150508

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de refroidissement d'air destiné à être séparé par distillation cryogénique. Il est connu de refroidir l'air destiné à être séparé par distillation cryogénique en amont de son épuration pour enlever l'eau et le dioxyde de carbone. Un moyen habituellement utilisé pour refroidir l'air est de refroidir l'air par échange de chaleur avec de l'eau froide, par contact direct dans une tour de refroidissement ou par contact indirect dans un échangeur de chaleur. Pour refroidir l'eau utilisée pour refroidir l'air, on peut utiliser une tour de refroidissement pour contacter l'eau avec de l'azote sec provenant de la séparation de l'air ou un groupe frigorifique. Dans certains pays ou régions, il existe de fortes différences de température atmosphérique entre la journée (pic de température) et la nuit (creux de température), voire d'un jour à l'autre. Par exemple dans les régions désertiques, la différence de température peut dépasser 40°C, voire 50°C entre la température maximale et la température minimale en une journée. La taille de l'épuration (la quantité d'adsorbant) est habituellement déterminée par les conditions les plus chaudes (c'est-à-dire les températures rencontrées dans la journée), et il peut être nécessaire d'ajouter un groupe frigorifique pour ramener la température d'eau glacée à une température suffisamment basse pendant les pics de température. Il est proposé d'utiliser des matériaux à changement de phase (MCP) pour obtenir un effet tampon entre les conditions nuits et jour : - Pendant la nuit où les conditions atmosphériques sont les plus froides, le matériau à changement de phase emmagasine des frigories (en se solidifiant) - Pendant la journée (spécialement pendant le pic de température), le matériau à changement de phase restitue ces frigories (en se liquéfiant) Des exemples de matériaux à changement de phase sont décrits dans EP-A2334419, F R-A-2874983, FR-A-2875432, FR-A-2887783, FR-A-2891159, FR-A30 2891160 et WO-A-12/13912. Une autre application de cette invention vise à réduire la consommation énergétique pour refroidir l'air et/ou régénérer l'épuration pendant la journée où le prix de l'énergie est le plus cher, en augmentant cette consommation pendant la nuit (les frigories emmagasinées par le MCP sont alors produites à partir d'un groupe frigorifique 35 électrique ou a absorption (Bromure Lithium....)) Pour refroidir l'eau destinée à la tour air/eau pendant le jour, quand l'électricité est chère, le lit de matériau à changement de phase, en l'état solide, se met à fondre et refroidit l'eau par transmission de chaleur latente. Pendant la nuit, un groupe frigorifique produit des frigories pour refroidir le lit de matériau à changement de phase à l'état liquide et le solidifie de nouveau. Etant donné que l'électricité alimentant le groupe frigorifique coûte moins cher que celle produite pendant la journée, l'usage de cette invention permet de réduire le coût d'électricité globale pour le refroidissement de l'air. Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil de refroidissement d'un débit d'air destiné à être séparé par distillation cryogénique comprenant un échangeur de chaleur, pouvant être une tour à contact direct, une conduite pour y amener le débit d'air à refroidir, une conduite pour enlever un débit d'air refroidi de l'échangeur de chaleur, une conduite pour y amener un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau, une conduite pour enlever le fluide de refroidissement réchauffé, caractérisé en ce que la conduite pour amener le fluide de refroidissement est reliée à un lit contenant au moins un matériau à changement de phase (MCP) capable de servir de réservoir thermique. Selon d'autres aspects facultatifs : - le matériau comprend une pluralité de particules micro encapsulés de diamètre dans la plage entre 1 et 100 microns, préférentiellement dans la plage entre 1 et 50 microns ou encore mieux entre 2 et 20 microns ou encore mieux entre 3 et 10 microns, mises en forme de billes composites de diamètre entre 1 et 10 mm, préférentiellement dans la plage 1 et 5 mm ou encore mieux entre 1 et 3 mm microns ou encore mieux entre 1 et 2 mm. - les billes sont également composées d'un autre matériau conducteur thermique, du type fibres de graphite ou particules métalliques, pour former des billes composites. - les billes sont disposées entre plusieurs grilles à l'intérieur d'un élément chaudronné. - le matériau est choisi tel que la température de changement de phase du dit matériau est comprise entre 0°C et 40°C, préférentiellement entre 5°C et 30°C ou encore mieux entre 5°C et 25°C ou encore mieux entre 5°C et 20°C - le matériau à changement de phase (MCP) est organique , par exemple paraffine, ou silicone, ou inorganique, par exemple un sel hydraté ou un alliage métallique. - le matériau à changement de phase a une densité comprise entre 200 et 1000 kg/m3 préférentiellement 500 à 800 kg/m3. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un appareil de refroidissement tel que décrit ci- dessus et un refroidisseur de fluide de refroidissement relié au lit contenant au moins un matériau à changement de phase pour amener au lit du fluide de refroidissement refroidi dans le refroidisseur. Selon d'autres aspects facultatifs - le refroidisseur de fluide de refroidissement (eau glacée par exemple) est une tour permettant le contact direct entre de l'eau et un débit d'azote - le refroidisseur de fluide de refroidissement (eau glacée par exemple) est une tour permettant le contact direct entre de l'eau et un débit d'azote, par exemple dans laquelle le matériau à changement de phase est installé - un moyen de refroidissement consommant de l'électricité ou de la vapeur d'eau est installé en amont ou en aval du lit pour refroidir le fluide de refroidissement Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel on refroidit de l'air par échange de chaleur avec un fluide de refroidissement, le fluide de refroidissement étant refroidi au moyen d'un refroidissement par transfert de chaleur latente d'un lit de matériau à changement de phase qui fond si la température ambiante passe au-dessus d'un seuil donné, l'air refroidi étant ensuite épuré et séparé par distillation pour produire au moins un fluide enrichi en oxygène ou en azote. Selon d'autres aspects facultatifs : - si la température ambiante passe en dessous du seuil, le matériau à changement de phase passe de l'état liquide à l'état solide, le fluide de refroidissement 30 éventuellement étant refroidi également par un moyen de refroidissement consommant de l'électricité ou de la vapeur d'eau. - aucun moyen de refroidissement consommant de l'électricité ou de la vapeur d'eau ne refroidit le fluide de refroidissement si la température est au-dessus du seuil. - le moyen de refroidissement, consommant l'électricité ou de la vapeur d'eau, 35 ne refroidit le fluide de refroidissement qu'en phase de solidification d'au moins un matériau à changement de phase du lit. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure. De l'air 1 est envoyé à au premier étage 5 d'un compresseur centrifuge ou axial. L'air est comprimé dans l'étage 5 pour former un débit d'air 6 qui est refroidi par le refroidisseur 7 et envoyé à un premier séparateur de phases 9. L'air 13 est comprimé dans le deuxième étage 17 du compresseur. L'air comprimé est refroidi par le refroidisseur 19 pour former le débit 21 qui est envoyé au deuxième séparateur de phases 23 d'où on sort de l'eau 25. L'air 27 provenant du séparateur de phases 23 est envoyé au troisième étage de compression 31. L'air comprimé 35 est soit refroidi par un refroidisseur pour condenser l'eau qu'il contient (ce refroidisseur est suivi alors d'un séparateur d'eau (potentiellement intégré au dit refroidisseur) ), soit envoyé dans une tour de refroidissement à deux étages (1er étage = refroidissement avec eau de refroidissement 43, 2ème étage = refroidissement avec eau glacée 49). Optionnellement plus d'étages peuvent être ajoutés au compresseur d'air (qui comporterait alors 4, 5 ou 6 étages). L'air refroidi dans la tour 43 est envoyé à une unité d'épuration 65 comprenant deux bouteilles d'adsorbant qui doivent être périodiquement régénérées. L'air y est épuré en eau et en dioxyde de carbone puis est envoyé comme débit 56 à une unité de distillation cryogénique 54. Là le débit 56 se refroidit dans un échangeur de chaleur (non illustré) jusqu' à la température de distillation. L'air épuré et refroidi est envoyé à un système de colonnes de l'unité 54 comprenant une, deux ou trois colonnes de distillation. Un débit d'azote gazeux 53 est soutiré du système de colonnes, réchauffé dans l'échangeur de chaleur et est divisé en deux. Une partie 55 de l'azote gazeux sert à régénérer périodiquement les bouteilles d'adsorbant de l'unité 65. Avant cela, elle est réchauffée dans un réchauffeur. L'autre partie de l'azote 57 est envoyé à une tour 47 où se refroidit l'eau glacée 49 destinée à la tête de la tour de refroidissement 43. L'eau envoyée en tête de la tour 47 provient du circuit d'eau de refroidissement . L'eau 49 refroidie dans la tour 47 est pompée par une pompe 51 et envoyée en tête de la tour 43. La conduite d'amenée d'eau 49 est reliée en aval de la pompe à un lit 42 30 contenant au moins un matériau à changement de phase capable de servir de réservoir thermique. En variante, ces matériaux à changement de phase peuvent être installés en amont de la pompe, dans la cuve de la tour eau azote 47 par exemple. Pour refroidir l'eau 49 destinée à la tour air/eau 43 pendant le jour, quand l'électricité est chère, le lit 42 de matériau à changement de phase, en l'état solide, 35 chauffe par échange de chaleur avec l'ambiant, se met à fondre à une température de 20°C et refroidit l'eau 49 par transmission de chaleur latente. L'eau 37 du circuit de refroidissement est divisée en deux parties 38,39. La partie 38 est envoyée à un point intermédiaire de la tour 43 et le reste 39 est envoyé en tête de la tour 47. L'eau réchauffée 45 de la cuve de la tour 43 est renvoyé à la source d'où vient l'eau 37. Pendant la nuit, soit les températures d'air et d'eau de refroidissement sont suffisamment basses, soit un moyen de refroidissement, consommant l'électricité ou de la vapeur d'eau, par exemple un groupe frigorifique G, produit des frigories pour refroidir le lit 42 de matériau à changement de phase qui est à l'état liquide et le solidifie de nouveau quand la température passe en dessous de 20°C. Etant donné que l'énergie (électricité ou de la vapeur d'eau) alimentant l'éventuel groupe frigorifique G coûte moins cher que celle produite pendant la journée, l'usage de cette invention permet de réduire le coût d'électricité globale pour le refroidissement de l'air. Le procédé peut évidemment être modifié pour prendre avantage des tarifs peu chers de l'électricité négociés, quel que soit l'heure de la journée. Les matériaux à changement de phase (MCP) agissent comme des puits thermiques à leur température de changement de phase Exemple Pour un ASU de 3500 mtpd Débit eau glacée 49 m3/h 200 Température minimale de l'eau °C 10 Durée creux température h 8 Température maximale de l'eau °C 20 Durée pic température h 8 Température moyenne °C 15 Chaleur à stocker kcal 8 000 000 MCP 42 Densité kg/m 3 650 Capacité massique kJ/kg 230 Capacité volumique kcal/m3 35766 Volume nécessaire MCP m3 224 REVENDICATIONS: 1. Appareil de refroidissement d'un débit d'air (41) destiné à être séparé par distillation cryogénique comprenant un échangeur de chaleur, pouvant être une tour à contact direct (43), une conduite pour y amener le débit d'air à refroidir, une conduite pour enlever un débit d'air refroidi de l'échangeur de chaleur, une conduite pour y amener un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau (49), une conduite pour enlever le fluide de refroidissement réchauffé (45), caractérisé en ce que la conduite pour amener le fluide de refroidissement est reliée à un lit (42) contenant au moins un matériau à changement de phase (MCP) capable de servir de réservoir thermique. 2. Appareil selon la revendication 1 dans lequel le matériau comprend une pluralité de particules micro encapsulés de diamètre dans la plage entre 1 et 100 microns, préférentiellement dans la plage entre 1 et 50 microns ou encore mieux entre 2 et 20 microns ou encore mieux entre 3 et 10 microns, mises en forme de billes composites de diamètre entre 1 et 10 mm, préférentiellement dans la plage 1 et 5 mm ou encore mieux entre 1 et 3 mm microns ou encore mieux entre 1 et 2 mm. 3. Appareil selon la revendication 2 dans lequel les billes sont également 20 composées d'un autre matériau conducteur thermique, du type fibres de graphite ou particules métalliques, pour former des billes composites. 4. Appareil selon une des revendications 2 ou 3 dans lequel les billes sont disposées entre plusieurs grilles à l'intérieur d'un élément chaudronné. 5. Appareil selon l'une des revendications précédentes dans lequel le matériau est choisi tel que la température de changement de phase du dit matériau est comprise entre 0°C et 40°C, préférentiellement entre 5°C et 30°C ou encore mieux entre 5°C et 25°C ou encore mieux entre 5°C et 20°C 6. Appareil selon une des revendications précédentes tel que le matériau à changement de phase (MCP) est organique , par exemple paraffine, ou silicone, ou inorganique, par exemple un sel hydraté ou un alliage métallique. 35 7. Appareil selon une des revendications précédentes dans lequel le matériau à changement de phase a une densité comprise entre 200 et 1000 kg/m3 préférentiellement 500 à 800 kg/m3. 25 30 8. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un appareil de refroidissement selon une des revendications précédentes et un refroidisseur (47) de fluide de refroidissement relié au lit (42) contenant au moins un matériau à changement de phase pour amener au lit du fluide de refroidissement (49) refroidi dans le refroidisseur. 9. Appareil selon la revendication 8 dans lequel le refroidisseur de fluide de refroidissement (eau glacée par exemple) est une tour (47) permettant le contact direct entre de le fluide de refroidissement, par exemple l'eau (39) et un débit d'azote (57). 10. Appareil selon la revendication 9 dans lequel le matériau à changement de phase (42) est installé dans la tour (47). 11. Appareil suivant une des revendications précédentes dans lequel un moyen de refroidissement (G) consommant de l'électricité ou de la vapeur d'eau est installé en amont ou en aval du lit. (42) pour refroidir le fluide de refroidissement (49). 12. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel on refroidit de l'air (41) par échange de chaleur avec un fluide de refroidissement (49), le fluide de refroidissement étant refroidi au moyen d'un refroidissement par transfert de chaleur latente d'un lit (42) de matériau à changement de phase qui fond si la température ambiante passe au-dessus d'un seuil donné, l'air refroidi étant ensuite épuré et séparé par distillation pour produire au moins un fluide (53) enrichi en oxygène ou en azote. 13. Procédé selon la revendication 12 dans lequel si la température ambiante passe en dessous du seuil, le matériau à changement de phase passe de l'état liquide à l'état solide, le fluide de refroidissement (49) éventuellement étant refroidi également par un moyen de refroidissement (G) consommant de l'électricité ou de la vapeur d'eau. 14. Procédé selon l'une des revendications 12 et 13 dans lequel aucun moyen de refroidissement (G) consommant de l'électricité ou de la vapeur d'eau ne refroidit le fluide de refroidissement (49) si la température est au-dessus du seuil. 15. Procédé selon la revendication 13 ou 14 dans lequel le moyen de refroidissement (G), consommant l'électricité ou de la vapeur d'eau, ne refroidit le fluide de refroidissement (49) qu'en phase de solidification d'au moins un matériau à changement de phase du lit (42).