Brevet FR3033396A1 — publié le 20160909

La présente invention est relative à un procédé de refroidissement d'un fluide. La présente invention est en particulier relative à l'utilisation d'échangeurs compacts et notamment d'échangeurs à plaques en association avec système de réfrigération magnétique active à régénération (en anglais : Active Magnetic Regenerative Refrigeration ou AMRR) pour une utilisation dans un procédé de refroidissement d'un gaz ou d'un mélange gazeux, notamment destiné à un procédé de séparation d'un mélange gazeux, par exemple l'air, à température subambiante, voire cryogénique ou à un procédé de liquéfaction de gaz de l'air, par exemple, l'azote, l'oxygène ou l'argon. Pour produire un gaz de l'air, il est connu d'utiliser la voie cryogénique et d'utiliser notamment les étapes suivantes : compression de l'air ambiant, épuration de l'air en eau et CO2 par adsorption, refroidissement de l'air dans un échangeur en aluminium brasé jusqu'à une température proche de son point de rosée, séparation par distillation dans une ou plusieurs colonne(s) d'une ou plusieurs fractions enrichies en oxygène et d'une ou plusieurs fraction(s) enrichie(s) en azote, réchauffement de ces fractions à contre-courant de l'air dans l'échangeur en aluminium brasé. Les pourcentages concernant les puretés dans ce document sont des pourcentages molaires. La réfrigération magnétique repose sur l'utilisation de matériaux magnétiques présentant un effet magnétocalorique. Réversible, cet effet se traduit par une variation de leur température lorsqu'ils sont soumis à l'application d'un champ magnétique externe. Les plages optimales d'utilisation de ces matériaux se situent au voisinage de leur température de Curie (Tc). En effet, plus les variations d'aimantation, et par conséquent les changements d'entropie magnétique, sont élevés, plus les changements de leur température sont élevés. L'effet 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 3033396 2 magnétique consiste i) à magnétiser le matériau pour en augmenter la température, ii) à refroidir le matériau à champ magnétique constant pour rejeter de la chaleur, iii) à démagnétiser le matériau pour le refroidir, et iv) à chauffer le matériau à champ magnétique constant (en général, nul) pour capter la chaleur. 5 Un dispositif de réfrigération est un dispositif thermodynamique permettant de transférer une quantité de chaleur d'un milieu considéré comme « émetteur » dit « source froide » d'où l'on extrait la chaleur vers un milieu considéré comme « récepteur » dit « source chaude » où l'on fournit la chaleur, la source froide étant à une température plus froide que la source chaude. 10 Un dispositif de réfrigération magnétique met en oeuvre des éléments en matériau magnétocalorique, qui génèrent de la chaleur lorsqu'ils sont magnétisés et absorbent de la chaleur lorsqu'ils sont démagnétisés. Il peut mettre en oeuvre un régénérateur à matériau magnétocalorique pour amplifier la différence de température entre la « source chaude » et la « source froide » : on parle alors de 15 réfrigération magnétique active à régénération. Cet effet est décrit dans l'article de Techniques de l'Ingénieur de 2005 de Lebouc intitulé « Réfrigération magnétique ». Il est connu d'utiliser l'effet magnétocalorique pour fournir du froid à un procédé de séparation à température subambiante dans EP-A-2551005, US-A5249424 ou encore US-A-6502404. 20 EP-A-2551005 décrit un système de réfrigération magnétocalorique associé à un procédé de captage de CO2 utilisant un cycle Brayton. L'échangeur de chaleur décrit est un échangeur à tubes et calandre et non un échangeur compact. Par contre, ce brevet pose un problème majeur à savoir comment éviter le dépôt de glace sur les tubes de l'échangeur lorsque l'on abaisse la température en-dessous de la 25 température ambiante (entre 35°C et -4°C) pour atteindre -50°C à -60°C. De telles conditions de fonctionnement sont particulièrement inadaptées à des échangeurs compacts qui ont des diamètres hydrauliques plus faibles que les échangeurs à tubes et calandres. US-A-6502404 décrit plusieurs système de réfrigération magnétique active à 30 régénération appliqué à des procédés cryogéniques mais dans le cas de l'association à un échangeur de chaleur sur un gradient de température important, génère soit des 3033396 3 irréversibilités importantes en mélangeant un fluide chaud avec un fluide froid , soit des écarts de températures importants. US-A-5249424 décrit un système de réfrigération magnétique active à régénération appliqué à un liquéfacteur d'hydrogène qui permet de résoudre les 5 problèmes d'écart de température. Par contre, l'utilisation d'un gaz comme fluide caloporteur associé à un média poreux pour le matériau magnétocalorique oblige à augmenter considérablement la pression de fonctionnement de régénérateurs et de l'échangeur de chaleur avec l'hydrogène (pression d'hélium de 20 bar abs). L'utilisation d'un gaz impose également des temps de résidence faible, rendant 10 l'échangeur plus sensible aux fluctuations de températures dans des phases transitoires. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de refroidissement voire de liquéfaction d'un fluide jusqu'à température subambiante, voire cryogénique, dans lequel le fluide est refroidi dans un échangeur de chaleur en aluminium brasé en 15 échange indirect avec un autre fluide issu d'un procédé mettant en oeuvre un cycle de réfrigération magnétique active à régénération ayant une source chaude et une source froide ainsi qu'au moins un premier et un deuxième régénérateurs caractérisé en ce que : i) le débit moyen d'un fluide caloporteur circulant à travers au moins le 20 premier régénérateur, depuis la source chaude vers la source froide est supérieur au débit moyen de fluide caloporteur circulant à travers au moins le deuxième régénérateur depuis la source froide vers la source chaude et ii) le fluide caloporteur est un liquide. Selon d'autres aspects facultatifs : 25 -le fluide caloporteur est à basse pression, inférieure à 10 bar abs, de préférence inférieure à 4 bar abs voire au voisinage de la pression atmosphérique - l'autre fluide est le fluide caloporteur. - les écarts de température entre fluides dans l'échangeur de chaleur en aluminium sont inférieurs à 50°C, voire inférieurs à 20°C. 30 - le débit moyen de fluide caloporteur circulant à travers au moins le deuxième régénérateur depuis la source froide vers la source chaude représente plus de 80%, 3033396 4 de préférence plus de 90%, voire plus de 95% du débit moyen de fluide caloporteur circulant à travers au moins le premier régénérateur depuis la source chaude vers la source froide. -une fraction du fluide caloporteur est envoyée à l'échangeur de chaleur pour 5 refroidir le fluide à refroidir. - la fraction représente au plus 20%, voire au plus 10% du fluide caloporteur. - le fluide caloporteur circule dans un premier temps d'un cycle dans le premier régénérateur et est divisé pour qu'une partie du fluide caloporteur circule dans le deuxième régénérateur et dans un deuxième temps du cycle le fluide caloporteur 10 circule dans le deuxième régénérateur, est divisé et une fraction du fluide caloporteur circule dans le premier régénérateur. - pendant le premier temps une fraction du fluide caloporteur est envoyée du premier régénérateur vers l'échangeur de chaleur et dans le deuxième temps une fraction du fluide caloporteur est envoyée du deuxième régénérateur vers l'échangeur 15 de chaleur. La présente invention se propose de résoudre les problèmes posés par l'utilisation d'échangeurs compacts associés à un système de réfrigération magnétique active à régénérateur en minimisant au maximum les contraintes mécaniques imposées à ces échangeurs. Ces contraintes mécaniques peuvent être 20 liées à la pression de fonctionnement mais surtout aux fluctuations de températures dans des phases transitoires. Ces échangeurs compacts peuvent être des échangeurs à plaques et notamment des échangeurs à plaques en aluminium brasé. En effet, un cycle de réfrigération magnétique active à régénération, grâce à son effet d'amplification, peut générer en régime stationnaire un écart de température 25 important supérieur à 20°C voire à 50°C entre source froide et source chaude. Or, le standard de l'ALPEMA (association des producteurs d'échangeurs en aluminium brasé) préconise dans le cas général de limiter à 50°C les écarts de température entre fluides et même à 20-30°C dans les cas plus sévères de présence de fluides diphasiques, de transitions ou de conditions cycliques. La présente invention se 30 propose d'apporter des solutions à ce problème notamment lorsque l'on souhaite refroidir en chaleur sensible un fluide dans un échangeur en aluminium brasé. Selon 3033396 5 la présente invention, on prélève à la source froide une partie du fluide caloporteur circulant dans le régénérateur pour l'introduire dans l'échangeur en aluminium brasé et le réchauffer jusqu'à une température proche de celle de la source chaude. Ce faisant, on déséquilibre le débit qui circule dans le régénérateur ce qui semblerait 5 nuire à l'efficacité mais qui reste acceptable si le débit prélevé reste faible c'est-à-dire inférieur à 20% du débit moyen de fluide caloporteur à l'intérieur du régénérateur depuis la source chaude vers la source froide, de préférence inférieur à 10% voire 5%. Par ailleurs, le fait de resserrer les écarts sur l'échangeur en aluminium brasés permet d'accroître considérablement l'efficacité globale du procédé. 10 Par ailleurs, toujours dans un souci de diminuer les contraintes sur l'échangeur, le fluide caloporteur est un liquide utilisé à basse pression inférieure à 10 bar abs, de préférence inférieure à 4 bar abs voire au voisinage de la pression atmosphérique. De manière à augmenter l'inertie thermique du système, il est aussi possible de rajouter des capacités de stockage du fluide caloporteur circulant dans 15 l'échangeur compact, par exemple, correspondant à une minute de temps de résidence voire 10 minutes voire 1 heure, voire plusieurs heures. Les échangeurs en aluminium brasés selon l'invention peuvent être utilisés dans d'autres procédés que les procédés de refroidissement des gaz de l'air. Il peuvent par exemple être exploités pour refroidir un fluide dans un procédé de 20 compression, séparation et/ou liquéfaction des gaz de l'airDe plus, ils peuvent être utilisés dans des procédés de compression, purification et/ou liquéfaction du 002, des procédés de séparation CO/H2 par voie cryogénique de type condensation partielle ou lavage au méthane, des procédés de lavage à l'azote liquide pour les usine d'ammoniaque, des procédés de compression, séparation et/ou liquéfaction du 25 gaz naturel. 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 30 ambiante, par exemple inférieure à 0°C. Une température cryogénique est inférieure à -50°C. 3033396 6 La Figure 1 montre une première variante de l'invention. La Figure 2 montre une seconde variante de l'invention. La Figure 1 représente un premier mode de réalisation de l'invention. Un fluide 120 est refroidi dans un échangeur de chaleur en aluminium à plaques et à ailettes 5 brasées 102 à une température inférieure à la température humide de l'air pour donner un fluide 121. Le fluide frigorigène 111 de l'échangeur 102 est issu d'un système de réfrigération magnétique active à régénération (en anglais : Active Magnetic Regenerative Refrigeration ou AMRR) qui va maintenant être décrit. Un fluide caloporteur 110 à une température proche de la température ambiante est 10 orienté par un dispositif d'inversion qui fonctionne typiquement à une fréquence située entre 1 et 10 Hz. Dans un premier mode alterné, le fluide caloporteur 110 à basse pression, inférieure à 10 bar abs, de préférence inférieure à 4 bar abs voire au voisinage de la pression atmosphérique passe par la vanne 106A puis parcourt un premier 15 régénérateur 103A constitué de lames de matériaux magnétocaloriques qui vient d'être démagnétisé c'est-à-dire refroidi. A la sortie de 103A, le fluide caloporteur est divisé en un première partie 111 qui constitue une fraction faible du débit 110, typiquement entre quelques pourcents et 15%, et une seconde partie qui va évacuer la chaleur d'un second régénérateur 103B qui vient d'être magnétisé c'est-à-dire 20 réchauffé par des aimants 104A et 104B de part et d'autre des matériaux magnétocaloriques du régénérateur placés dans l'entrefer. Le fluide sortant du régénérateur 103B passe par la vanne 105B et devient le fluide 114 qui est mélangé avec le fluide 113 provenant de l'échangeur 102. Le mélange 115 passe dans une pompe de circulation 109 pour donner un fluide 116 qui va être refroidi par le milieu 25 ambiant par exemple dans un aéroréfrigérant hybride 101 dans lequel on introduit de l'air ambiant 130 qui se réchauffe éventuellement en présence d'eau fonctionnant en aéroréfrigérant évaporatif pour donner de l'air humide chaud 131. Les vannes 105A et 1066 sont fermées. Dans un deuxième mode alterné (non représenté), le fluide caloporteur 110 30 passe par la vanne 106B puis parcourt le second régénérateur 103B constitué de lames de matériaux magnétocaloriques qui vient d'être démagnétisé c'est-à-dire 3033396 7 refroidi. A la sortie de 103B, le fluide caloporteur est divisé en une première partie 111 qui constitue une fraction faible du débit 110, typiquement entre quelques pourcents et 15%, voire 20%, et une seconde partie (entre 80%, voire 85% et quelques pourcents en dessous de 100) qui va évacuer la chaleur du premier 5 régénérateur 103A qui vient d'être magnétisé c'est-à-dire réchauffé par des aimants 104A et 104B de part et d'autre des matériaux magnétocaloriques du régénérateur placés dans l'entrefer. Le fluide sortant du régénérateur 103A passe par la vanne 105A et devient le fluide 114 qui est mélangé avec le fluide 113 provenant de l'échangeur 102. Le mélange 115 passe dans une pompe de circulation 109 pour 10 donner un fluide 116 qui va être refroidi par le milieu ambiant par exemple dans un aéroréfrigérant hybride 101 dans lequel on introduit de l'air ambiant 130 qui se réchauffe éventuellement en présence d'eau fonctionnant en aéroréfrigérant évaporatif pour donner de l'air humide chaud 131. Les vannes 105B et 106A sont fermées. 15 L'homme de l'art reconnaîtra ici que de nombreuses variantes de l'invention sont possibles. Le matériau magnétocalorique peut être sous forme de poudre, de billes, d'ondes de différentes géométries, de plaques... Le système d'inversion peut être constitué de vannes deux voies ou multivoies, de clapets anti-retour, de clapets actionnés mécaniquement, électriquement... Le nombre de régénérateurs en 20 parallèle peut être entre 1 (système « lot » ou « batch » en anglais avec stockage du fluide caloporteur) et plusieurs milliers. La Figure 2 représente un deuxième mode de réalisation de l'invention. Un fluide 120 est refroidi dans un échangeur de chaleur 102 à une température inférieure à la température humide de l'air pour donner un fluide 121. Ce fluide 121 peut soit 25 être comprimé directement, soit servir indirectement à refroidir un autre fluide qui sera comprimé à partir d'une température inférieure à la température humide de l'air. Le fluide frigorigène 111 de l'échangeur 102 est issu d'un système de réfrigération magnétique active à régénération (en anglais : Active Magnetic Regenerative Refrigeration ou AMRR) qui va maintenant être décrit. Un fluide caloporteur 110 à 30 une température proche de la température ambiante est orienté par un dispositif d'inversion qui fonctionne typiquement à une fréquence située entre 1 et 10 Hz. 3033396 8 Dans un premier mode alterné, le fluide caloporteur 110 à basse pression, inférieure à 10 bar abs, de préférence inférieure à 4 bar abs voire au voisinage de la pression atmosphérique passe par la vanne 106A puis parcourt un premier régénérateur 103A constitué de lames de matériaux magnétocaloriques qui vient 5 d'être démagnétisé c'est-à-dire refroidi. A la sortie de 103A, le fluide caloporteur passe dans la vanne 107A pour donner le fluide 111 qui est introduit dans l'échangeur 102 puis divisé en une première partie 113 qui constitue une fraction faible du débit 110, typiquement entre quelques pourcents et 15%, voire 20%, et une seconde partie 112 (au moins 80%) qui passe par la vanne 108B et va évacuer la 10 chaleur d'un second régénérateur 103B qui vient d'être magnétisé c'est-à-dire réchauffé par des aimants 104A et 104B de part et d'autre des matériaux magnétocaloriques du régénérateur placés dans l'entrefer. Le fluide sortant du régénérateur 103B passe par la vanne 105B et devient le fluide 114 qui est mélangé avec le fluide 113 provenant de l'échangeur 102. Le mélange 115 passe dans une 15 pompe de circulation 109 pour donner un fluide 116 qui va être refroidi par l'un quelconque des fluides de l'unité dans lequel s'intègre ce système de réfrigération. Il peut s'agir d'un fluide provenant du côté froid d'un autre système de réfrigération. On parlera dans ce cas d'un système en cascade. Dans ce cas, l'échangeur 101 peut être à contact direct si on a pu choisir le même fluide caloporteur pour les deux 20 systèmes de réfrigération. Il peut aussi s'agir d'un fluide directement ou indirectement refroidi par un autre système de réfrigération. Les vannes 105A, 106B, 107B et 108A sont fermées. Dans un deuxième mode alterné (non représenté), le fluide caloporteur 110 passe par la vanne 106B puis parcourt le second régénérateur 103B constitué de 25 lames de matériaux magnétocaloriques qui vient d'être démagnétisé c'est-à-dire refroidi. A la sortie de 103B, le fluide caloporteur passe dans la vanne 107B pour donner le fluide 111 qui est introduit dans l'échangeur 102 puis divisé en une première partie 113 qui constitue une fraction faible du débit 110, typiquement entre quelques pourcents et 15%, et une seconde partie 112 qui passe par la vanne 108A 30 et va évacuer la chaleur du premier régénérateur 103A qui vient d'être magnétisé c'est-à-dire réchauffé par des aimants 104A et 104B de part et d'autre des matériaux 3033396 9 magnétocaloriques du régénérateur placés dans l'entrefer. Le fluide sortant du premier régénérateur 103A passe par la vanne 105A et devient le fluide 114 qui est mélangé avec le fluide 113 provenant de l'échangeur 102. Le mélange 115 passe dans une pompe de circulation 109 pour donner un fluide 116 qui va être refroidi par 5 l'un quelconque des fluides de l'unité dans lequel s'intègre ce système de réfrigération. Il peut s'agir d'un fluide provenant du côté froid d'un autre système de réfrigération. On parlera dans ce cas d'un système en cascade. Dans ce cas, l'échangeur 101 peut être à contact direct si on a pu choisir le même fluide caloporteur pour les deux systèmes de réfrigération. Il peut aussi s'agir d'un fluide 10 directement ou indirectement refroidi par un autre système de réfrigération. Les vannes 1056, 106A, 107A et 1086 sont fermées. Dans les deux figures, le fluide caloporteur 110 est à basse pression, inférieure à 10 bar abs, de préférence inférieure à 4 bar abs voire au voisinage de la pression atmosphérique 15 REVENDICATIONS1. Procédé de refroidissement voire de liquéfaction d'un fluide jusqu'à température subambiante, voire cryogénique, dans lequel le fluide est refroidi dans un échangeur de chaleur en aluminium brasé (102) en échange indirect avec un autre fluide issu d'un procédé mettant en oeuvre un cycle de réfrigération magnétique active à régénération ayant une source chaude (102) et une source froide (101) ainsi qu'au moins un premier et un deuxième régénérateurs (103A, 103B) caractérisé en ce que : i) le débit moyen d'un fluide caloporteur (110) circulant à travers au moins le premier régénérateur (103A, 103B, depuis la source chaude vers la source froide est supérieur au débit moyen de fluide caloporteur circulant à travers au moins le deuxième régénérateur (103B, 103A) depuis la source froide vers la source chaude et ii) le fluide caloporteur est un liquide 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le fluide caloporteur (110) est à basse pression, inférieure à 10 bar abs, de préférence inférieure à 4 bar abs voire au voisinage de la pression atmosphérique 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel l'autre fluide est le fluide caloporteur (110). 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les écarts de température entre fluides dans l'échangeur de chaleur en aluminium (102) sont inférieurs à 50°C, voire inférieurs à 20°C. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le débit moyen de fluide caloporteur (110) circulant à travers au moins le deuxième 3033396 11 régénérateur (103B) depuis la source froide vers la source chaude représente plus de 80%, de préférence plus de 90%, voire plus de 95% du débit moyen de fluide caloporteur circulant à travers au moins le premier régénérateur (103A) depuis la source chaude vers la source froide. 5 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel une fraction (111) du fluide caloporteur (110) est envoyée à l'échangeur de chaleur (110) pour refroidir le fluide à refroidir. 10 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel la fraction représente au plus 20%, voire au plus 10% du fluide caloporteur. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le fluide caloporteur circule dans un premier temps d'un cycle dans le premier 15 régénérateur et est divisé pour qu'une partie du fluide caloporteur circule dans le deuxième régénérateur et dans un deuxième temps du cycle le fluide caloporteur circule dans le deuxième régénérateur, est divisé et une fraction du fluide caloporteur circule dans le premier régénérateur. 20 9. Procédé selon la revendication 6 et 8 dans lequel pendant le premier temps une fraction du fluide caloporteur est envoyée du premier régénérateur vers l'échangeur de chaleur et dans le deuxième temps une fraction du fluide caloporteur est envoyée du deuxième régénérateur vers l'échangeur de chaleur.