EP3830511A1 - Echangeur de chaleur a configuration de passages amelioree, procedes d'echange de chaleur associes - Google Patents

Echangeur de chaleur a configuration de passages amelioree, procedes d'echange de chaleur associes

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EP3830511A1
EP3830511A1 EP19753417.5A EP19753417A EP3830511A1 EP 3830511 A1 EP3830511 A1 EP 3830511A1 EP 19753417 A EP19753417 A EP 19753417A EP 3830511 A1 EP3830511 A1 EP 3830511A1
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EP
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refrigerant
passage
exchanger
series
temperature
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EP19753417.5A
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EP3830511B1 (fr
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Natacha Haik-Beraud
Sophie LAZZARINI
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger comprising series of passages for the flow of at least one refrigerant to be put in heat exchange relationship with a circulating fluid, the exchanger comprising at least one passage configured for flow said refrigerant and at least one other refrigerant.
  • the technology commonly used for an exchanger is that of aluminum exchangers with brazed plates and fins, which make it possible to obtain very compact devices offering a large exchange surface.
  • exchangers comprise a stack of plates which extend in two dimensions, length and width, thus constituting a stack of vaporization passages and condensation passages, some intended for example to vaporize refrigerant and the others to condense a gas. calorigenically. Note that heat exchanges between fluids can take place with or without phase change.
  • the passages are provided with fluid inlet and outlet openings.
  • the inlets and outlets placed one above the other in the stacking direction of the exchanger passages are combined respectively in generally semi-tubular inlet and outlet manifolds, through which the distribution and evacuation of fluids.
  • the inputs and outputs of the various refrigerants are arranged successively, along the length of the exchanger, in increasing temperature order starting from the cold end of the exchanger, that is to say the point of entry into the exchanger where a fluid is introduced at the lowest temperature of all the temperatures of the exchanger.
  • the outlet temperature of one refrigerant is higher than the inlet temperature of another refrigerant, the other refrigerant must enter the exchanger, following the length of the exchanger, at a position closer to the cold end than is the outlet of the refrigerant.
  • the pinch method is used to plan the way in which the fluids circulate in relation to heat exchange in the exchanger and to maximize the energy efficiency of the installation.
  • pinch refers to the minimum difference between the temperature of the refrigerants, i.e. the fluids which heat up in the exchanger, and the temperature of the circulating fluids, i.e. fluids which cool in the exchanger, and this at a given point in the exchanger.
  • each type of passageway then has a large portion in which no fluid circulates, that is to say an inactive zone in terms of exchange with the circulating fluid.
  • the object of the present invention is to solve all or part of the problems mentioned above, in particular by proposing a heat exchanger. heat with greater compactness and whose thermal efficiency and mechanical strength are improved.
  • the solution according to the invention is then a heat exchanger comprising several plates parallel to a longitudinal direction and defining between them a first series of passages for the flow of at least one refrigerant intended for exchanging heat with at least one circulating fluid, at least one passage of the first series defined between two adjacent plates comprising:
  • a refrigerant inlet configured to introduce the refrigerant into a portion of said passage and a refrigerant outlet configured to evacuate the refrigerant from the portion
  • said other inlet and outlet being arranged so that said at least one passage of the first series is divided, in the longitudinal direction, into at least said portion for the flow of the refrigerant and said other portion for the flow of the other refrigerant.
  • the invention may include one or more of the following characteristics:
  • passages of the first series each comprise at least one inlet, one outlet, another inlet and another outlet for refrigerant, said inlets being fluidly connected to the same inlet manifold, said other inlets being fluidly connected to the same another inlet manifold, said outlets being fluidly connected to the same outlet manifold and said other outlets being fluidly connected to the same other outlet manifold.
  • the exchanger includes a first end at which, during operation, the temperature is the lowest in the exchanger, and a second end at which, during operation, the temperature is the highest of the exchanger, said second end being arranged downstream of the first end in the longitudinal direction, the portion for the flow of the refrigerant being arranged on the side of the first end and the other portion for the flow of the other refrigerant being arranged between the portion and the second end.
  • the plates define between them a second series of passages for the flow of at least one circulating fluid, at least one passage of the second series being adjacent to said at least one passage of the first series and being configured so that, when a current of circulating fluid circulates in said passage, said current of circulating fluid exchanges heat with the refrigerant at at least part of the portion and with the other refrigerant at at least part on the other portion.
  • At least one passage of the second series comprises, at the second end of the exchanger, an inlet for circulating fluid configured to distribute the circulating fluid in said at least one passage and, at the level of the first end of the exchanger, an outlet configured to evacuate the circulating fluid from said at least one passage.
  • At least one passage of the first series comprises at least two other inlets configured to introduce respectively at least two other refrigerants in at least two other respective portions of said passage and at least two other outlets configured to evacuate the at least two others respectively refrigerants of at least two other portions, said at least two other inlets and at least two other outlets being arranged such that said at least one passage of the first series is divided, in the longitudinal direction, into at least three successive portions.
  • the invention also relates to a heat exchange method using a heat exchanger according to the invention, said method comprising the following steps:
  • said circulating fluid stream exchanging heat at least with the refrigerant and with the other refrigerant.
  • the refrigerant discharged in step iii) has a first temperature and the other refrigerant introduced in step iv) has a second temperature, the second temperature being lower than the first temperature.
  • the second temperature is at least 1 ° C lower than the first temperature.
  • the present invention can be applied to a heat exchanger which vaporizes at least two partial streams of a fluid with two liquid-gas phases as refrigerants, in particular at least two partial streams of a mixture with several constituents, for example a mixture of hydrocarbons, by heat exchange with at least one circulating fluid, for example natural gas.
  • the invention can be applied to a process for cooling, or even liquefying, a mixture of hydrocarbons such as natural gas.
  • the liquefaction process is implemented in a process for the production of liquefied natural gas (LNG).
  • LNG liquefied natural gas
  • natural gas refers to any composition containing hydrocarbons, including at least methane.
  • the invention relates to a process for cooling a stream of hydrocarbons such as natural gas as a stream of circulating fluid, said process using a heat exchanger according to the invention or a process for exchanging heat according to the invention and comprising the following stages:
  • hydrocarbon stream from step g) can be at least partially liquefied.
  • the cooled and / or at least partially liquefied hydrocarbon stream in step g) is introduced into another exchanger into which a second refrigerant stream is introduced.
  • the second refrigerant stream leaving the other exchanger is expanded and then reintroduced into said other exchanger to be vaporized there by refrigerating the hydrocarbon stream and the second refrigerant stream, so that the hydrocarbon stream leaves liquefied and under - cooled from the other exchanger.
  • the first refrigerant stream can be a mixture of hydrocarbons, for example a mixture containing ethane and propane.
  • the refrigerant produced in step d) has a first pressure and the other refrigerant produced in step d) has a second pressure, the second pressure being greater than the first pressure.
  • Figure 1 is a schematic sectional view, in a plane parallel to the plates of the exchanger, of a refrigerant passage of a heat exchanger according to the prior art
  • Figure 2 is a schematic sectional view, in a plane orthogonal to the plates and parallel to the longitudinal direction of the exchanger, of series of passages of the heat exchanger of Figure 1;
  • Figure 3A is another schematic sectional view, in a plane parallel to the plates of the exchanger, of a passage of a heat exchanger according to another embodiment of the invention
  • Figure 3B illustrates on the one hand the exchange diagram curves of a conventional exchanger as illustrated in Figure 1 and on the other hand the exchange diagram curves of an exchanger according to the invention as 'illustrated in Figure 3A;
  • FIG. 4 diagrammatically shows an embodiment of a heat exchange method implementing an exchanger according to an embodiment of the invention
  • Figure 5 is a schematic sectional view, in a plane parallel to the plates of the exchanger, of a passage of a heat exchanger according to another embodiment of the invention.
  • Figure 1 illustrates passages 10a, 10b of a heat exchanger according to the prior art comprising several plates 2 which extend in two dimensions, length and width, respectively in a longitudinal direction z and a lateral direction y orthogonal to z and parallel to the plates 2.
  • each passage of the exchanger has a parallelepiped and flat shape. The difference between two successive plates is small compared to the length and the width of each successive plate.
  • Figure 1 shows schematically passages of an exchanger configured to vaporize a refrigerant F1 and another refrigerant F2 by heat exchange with circulating fluid C.
  • the other refrigerant F2 may be a fluid having a composition different from the refrigerant F1 or else a refrigerant having the same composition as the refrigerant F1 but at least one physical characteristic, in particular pressure, temperature, different from that of the refrigerant F1.
  • the circulating fluid C circulates in a second series of passages 11 (visible in FIG. 2) arranged, in whole or in part, alternately or adjacent to all or part of the passages 10a, 10b of the first series.
  • the flow of fluids in the passages takes place generally parallel to the longitudinal direction z which is preferably, as in the illustrated case, vertical during the operation of the exchanger.
  • the passages 10a, 10b along the edges of the plates are generally sealed by lateral and longitudinal sealing strips 4 fixed to the plates.
  • the lateral sealing strips 4 do not completely block the passages 10a, 10b but leave fluid inlet openings 31, 32 and outlet 41, 42.
  • the exchanger comprises distribution members 51, 61, 52, 62 which extend from and to the inlets and outlets of the passages.
  • These organs for example waves or distribution channels are configured to direct and ensure uniform distribution and recovery of fluids over the entire width of the passages.
  • the passages 10a, 10b advantageously comprise heat exchange structures arranged between the plates. These structures have the function of increasing the heat exchange surface of the exchanger. In fact, the heat exchange structures are in contact with the fluids circulating in the passages and transfer heat fluxes by conduction to the adjacent plates.
  • the heat exchange structures also have a function of spacers between the plates 2, in particular during assembly by brazing the exchanger and to avoid any deformation of the plates during the use of pressurized fluids. They also guide the flow of fluid in the exchanger passages.
  • these structures include heat exchange waves which advantageously extend along the width and the length of the passages 10a, 10b, parallel to the plates 2, in the extension of the distribution members 51, 61, 52, 62 according to the length of passages 10a, 10b.
  • the passages of the exchanger thus have a main part of their length constituting the actual heat exchange zone, which is bordered by distribution zones furnished with members 51, 61, 52, 62.
  • Such an arrangement of passages according to FIG. 1 is encountered in particular in an exchanger implemented in a natural gas liquefaction process.
  • One of the known methods for obtaining liquefied natural gas is based on the use of two natural gas refrigeration cycles using respectively a first and a second mixture of refrigerant hydrocarbons.
  • the first refrigeration cycle cools natural gas to its dew point using at least two different expansion levels to increase the efficiency of the cycle.
  • the second cycle liquefies and sub-cools natural gas and has only one level of expansion.
  • the first refrigerant mixture from a compressor is sub-cooled in a first exchanger. At least two partial streams from the first refrigerant mixture are withdrawn from the exchanger at two separate outlet points and then expanded to different pressure levels, thus forming at least two distinct refrigerants F1 and F2 reintroduced into the exchanger through inlets. 31, 32 separate selectively supplying the passages 10a, 10b to be vaporized there and then evacuated by separate outlets 41, 42.
  • the refrigerant F1 expanded at a given pressure level enters through the inlet 31 located at the cold end of the exchanger and exits through the outlet 41 at a temperature higher than the inlet temperature by the inlet 32 of the other refrigerant expanded to another pressure level.
  • the input of the other refrigerant is conventionally located, in the longitudinal direction z, at a position closer to the cold end of the exchanger than neither is the outlet of the refrigerant at lower pressure.
  • the exchanger includes two types of refrigerant passages, one 10a for the refrigerant F1 and the other 10b for the other refrigerant F2.
  • the circulating fluid C flowing in passages 11 adjacent to the passages of a type 10a and / or of another type 10b therefore exchanges heat at the active exchange zone A1 with the fluid F1 and at the level of the active exchange zone A2 for the other fluid F2.
  • Zones 11 and I2 are not supplied with fluid and therefore constitute thermally inactive zones.
  • the present invention aims to reduce the longitudinal extent of these inactive zones, or even to eliminate them completely by proposing to share longitudinally at least one passage formed between two plates 2 of the exchanger and to circulate therein different refrigerants.
  • Figure 3 is a schematic sectional view, in a plane parallel to that of Figure 1, of a passage of an exchanger according to an embodiment of the invention.
  • the number of refrigerants of different types is limited to 2 for the sake of simplification, it being noted that a greater number of types of fluid could flow in such a passage according to the same principle.
  • At least one passage 10 of the first series of refrigerant passages comprises at least one other inlet 32 and at least one other outlet 42 for another refrigerant F2.
  • Said other inlet and outlet 32, 42 being arranged so that said passage 10 of the first series is divided, in the direction longitudinal z, in at least one portion 100 for the flow of the refrigerant F1 and another portion 200 for the flow of the other refrigerant F2.
  • a calorigenic passage 11 of the second series is thus in contact with a refrigerant passage 10 of the first series, which promotes heat exchange and drastically reduces the thermal and mechanical stresses exerted on the plates and the exchanger inlet / outlet manifolds.
  • the size of the exchanger can be reduced, thereby reducing the cost of the exchanger and the cold box in which it is integrated.
  • the reduction of inactive zones within the exchanger also increases its mechanical strength.
  • the inventors of the present invention have demonstrated that by taking into account the temperature overlaps from the design phase of the process, it is possible to circulate the refrigerants in the same passage, even if the temperature of output of the first fluid is greater than that of input of the second fluid.
  • This requires simulating the exchanger, not in a single section with two firgorigenic fluids arriving at different temperatures, as is the case with the known method of pinching, but in different consecutive sections (two in the example cited ), each of these sections comprising a single refrigerant, arriving at its inlet temperature, to get as close as possible to the real geometry and therefore the real pinches that the exchanger will present.
  • FIG. 3B shows a comparison between the Heat exchanged - Temperature (DH - T) exchange diagrams, or enthalpy curves, obtained on the one hand with a simulated exchanger according to the classic pinch method (in ( a)) and on the other hand with an exchanger in which the fluids circulate in accordance with the invention (in (b)), the curves C, F, F1, F2 illustrate the evolution of the quantity of heat exchanged as a function of the temperature, respectively for the circulating fluid, a composite refrigerant constructed according to the conventional pinch method, the refrigerant F1 according to the invention and the other refrigerant F2 according to the invention.
  • DH - T Heat exchanged - Temperature
  • the majority more preferably at least 80% of the total number of passages 10 of the first series, or even all of the passages 10 of the first series, each comprise an inlet and an outlet 31, 41 for the refrigerant F1 and at least one other inlet and another outlet 32, 42 for the other refrigerant F2.
  • the exchanger according to the invention has a single type of passage 10 for refrigerants, which greatly simplifies the design thereof.
  • the term “passages of the same type” means passages which have an identical configuration or structure, in particular in terms of dimensions of the passages, arrangements of the fluid inlets and outlets.
  • the majority, preferably at least 80%, or even all, of the total number of passages 10 of the first series have an identical configuration.
  • the inputs and outputs 31, 41, 32, 42 are arranged in substantially identical positions in the longitudinal direction z.
  • the inputs and outputs 31, 41, 32, 42 of the passages 10 of the first series are arranged in coincidence one above the other, following the stacking direction x of the passages.
  • the inputs 31, 32 and outputs 41, 42 thus placed one above the other are respectively united in collectors of semi-tubular shape 71, 72, 81, 82, through which the distribution and the evacuation of fluids.
  • the longitudinal direction is vertical when the exchanger is in operation.
  • the refrigerants F1, F2 generally flow vertically and in the upward direction.
  • Circulating fluid C preferably flows against the current.
  • Other directions and directions of flow of the fluids F1, F2 are of course conceivable, without departing from the scope of the present invention.
  • the passage 10 of the exchanger comprises distribution zones 51, 61, 52, 62, preferably furnished with distribution members, which extend from and towards the inlets 31, 32 and outlets 41, 42 of the passage 10.
  • distribution zones are configured to direct and uniformly recover the fluids F1 and F2 over the entire width of the exchange zones A1 and A2 respectively.
  • the portion 100 of the passage 10 comprises the distribution zones 51, 61 and the exchange zone A1 and the other portion 200 comprises the distribution zones 52, 62 and the exchange zone A2.
  • heat exchange structures are arranged in the exchange zones A1 and A2.
  • the waves can be chosen from the known wave types such as straight waves, partial shift waves (of the "serrated” type in English), wave waves or herringbone (of the "herringbone” type), perforated or not.
  • the distribution members and the heat exchange structures form within the passage 10 a plurality of channels fluidly connecting the inlet 31 and outlet 41 therebetween and the other inlets 32 and outlets 42 therebetween.
  • the exchanger comprises a first end 1 a at which, during operation, the temperature is the lowest of the exchanger, and a second end 1 b at which, during operation, the temperature is the highest of the exchanger.
  • the second end 1b is arranged downstream of the first end 1a in the longitudinal direction z, so that the direction of flow of the fluids F1, F2 in the passage 10 is generally ascending.
  • the portion 100 for the flow of the refrigerant F1 being arranged on the side of the first end 1 a and the other portion 200 for the flow of the other refrigerant F2 is arranged between the portion 100 and the second end 1 b.
  • the other portion 200 extends, following the longitudinal direction z, downstream of the portion 100.
  • the portions 100, 200 are juxtaposed in the longitudinal direction z, as illustrated in Figure 3, which optimizes the space within the passage 10 by maximizing the extent of the active areas.
  • At least one refrigerant passage 10 of the first series comprises two other inputs 32, 33 configured to introduce two other refrigerants F2, F3 respectively into two other respective portions 200, 300 of the passage 10, and two other outputs 42, 43 configured to evacuate the other two refrigerants F2, F3 respectively from the other two portions 200, 300.
  • the passage 10 is divided, in the longitudinal direction z, into three successive portions 100, 200, 300.
  • the refrigerant F1 enters via the inlet 31 of at least one passage 10 at a temperature called initial T0 and is discharged through the outlet 41 at a first temperature T1 greater than T0.
  • the temperature T0 is between -55 and - 75 ° C and the temperature T1 is between -10 and -30 ° C.
  • the other refrigerant F2 enters passage 10 via the other inlet 32 at a second temperature T2 and leaves it through the other outlet 42 at a third temperature T3, T3 being greater than T2.
  • the temperature T2 is between -15 and -35 ° C and the temperature T3 is between 35 and 0 ° C.
  • the second temperature T2 is lower than the first temperature T1.
  • the second temperature T2 is at least 1 ° C lower than the first temperature T1.
  • the second temperature T2 is at most 15 ° C lower, more preferably at most 10 ° C, and preferably at most 5 ° C, at the first temperature T 1. This is to avoid excessive mechanical stress in the exchanger.
  • the refrigerant F1 enters via the inlet 31 of at least one passage 10 at an initial temperature T0 between -55 and -75 ° C and is discharged through the outlet 41 at a first temperature T1 greater than T0, T1 being between -25 and -45 ° C.
  • the first other refrigerant F2 enters passage 10 through a first other inlet 32 at a second temperature T2 and leaves it through the other outlet 42 at a temperature T3, T3 being greater than T2.
  • the temperature T2 is between -30 and -50 ° C and the temperature T3 is between 0 and -20 ° C.
  • the second other refrigerant F3 enters passage 10 via a second other inlet 33 at a fourth temperature T4 and leaves it through a second other outlet 43 at a fifth temperature T5, T5 being greater than T4.
  • the temperature T4 is between -5 and -25 ° C and the temperature T5 is between 30 and 0 ° C.
  • the fourth temperature T4 is lower than the third temperature T3. This makes it possible to have a superheated fluid F2 at the outlet of the portion 200 of the exchanger (high T3), while ensuring efficient cooling of the circulating fluid in the other portion 300 of the exchanger thanks to a start temperature of sufficiently low vaporization, T4, of the fluid F3 (less than T3).
  • the fourth temperature T4 is at least 1 ° C lower than the third temperature T3.
  • the second temperature T2 is at most 15 ° C lower, more preferably at most 10 ° C, and preferably at most 5 ° C, at the first temperature T1.
  • the fourth temperature T4 is at least 1 ° C lower than the third temperature T3, preferably the fourth temperature T4 is at least 15 ° C lower than the third temperature T3, more preferably in order to avoid excessive mechanical stresses in the exchanger, at most 10 ° C, and preferably at most 5 ° C, at the third temperature T4.
  • the refrigerant F1 and the at least one other refrigerant F2 are fluids having different pressures.
  • the refrigerant F1 flows in the exchanger at a first pressure P1 and the other refrigerant F2 flows in the exchanger at a second pressure P2 which is preferably greater than the first pressure P1.
  • Fluids F1, F2 can have the same composition.
  • An exchanger according to the invention can be used in any process using several refrigerants of different types, in particular in terms of composition and / or characteristics such as pressure, temperature, physical state, etc.
  • the natural gas arrives via line 1 10 for example at a pressure between 4 MPa and 7 MPa and at a temperature between 30 ° C and 60 ° C.
  • the natural gas circulating in the conduit 110, the first refrigerant current circulating in the conduit 30 and the second refrigerant current circulating in the conduit 20 enter the exchanger E1 according to the invention to circulate there in parallel and co-directions. current.
  • the natural gas comes out cooled from the exchanger E1 via the conduit 102, for example at a temperature between - 35 ° C and - 70 ° C.
  • the second refrigerant current comes out completely condensed from the exchanger E1 via the conduit 202, for example at a temperature between - 35 ° C and - 70 ° C.
  • the exchanger E1 three fractions, also called partial flows or currents, 301, 302, 303 of the first refrigerant current in the liquid phase are successively withdrawn.
  • the fractions are expanded through the expansion valves V1 1, V12 and V13 at three different pressure levels, forming a refrigerant F1 and two other refrigerants F2, F3.
  • These three refrigerants F1, F2, F3 of different types are reintroduced into the exchanger E1 having refrigerant passages provided with three separate inlets 31, 32, 33 in accordance with the invention, then vaporized by heat exchange with natural gas, the second refrigerant stream and part of the first refrigerant stream.
  • the three vaporized refrigerants F1, F2, F3 are sent to different stages of the compressor K1, compressed and then condensed in the condenser C1 by heat exchange with an external cooling fluid, for example water or air.
  • the first refrigerant stream from the condenser C1 is sent to the exchanger E1 through the conduit 30.
  • the pressure of the first refrigerant stream at the outlet of the compressor K1 can be between 2 MPa and 6 MPa.
  • the temperature of the first refrigerant stream at the outlet of the condenser C1 can be between 10 ° C and 45 ° C.
  • the first refrigerant stream can be formed by a mixture of hydrocarbons such as a mixture of ethane and propane, but can also contain methane, butane and / or pentane.
  • the proportions in molar fraction (%) of the components of the first refrigerant mixture can be:
  • the natural gas circulating in the conduit 102 can be fractionated, that is to say that a part of the C2 + hydrocarbons containing at least two carbon atoms is separated from the natural gas using a device known to those skilled in the art. 'art.
  • the fractionated natural gas is sent via line 102 to another exchanger E2.
  • the C2 + hydrocarbons collected are sent to fractionation columns comprising a deethanizer.
  • the light fraction collected at the top of the deethanizer can be mixed with the natural gas circulating in the conduit 102.
  • the liquid fraction collected at the bottom of the deethanizer is sent to a depropanizer.
  • the gas circulating in the conduit 102 and the second refrigerant current circulating in the conduit 202 enter the other exchanger E2 to circulate there in parallel and co-current directions.
  • the second refrigerant stream leaving the exchanger E2 via the conduit 201 is expanded by the expansion member T3.
  • the expansion member T3 can be a turbine, a valve or a combination of a turbine and a valve.
  • the second expanded refrigerant stream from the turbine T3 is sent through the conduit 203 in the exchanger E2 to be vaporized by counter-current refrigerant natural gas and the second refrigerant stream.
  • the second vaporized refrigerant stream is compressed by the compressor K2 then cools in the indirect heat exchanger C2 by heat exchange with an external cooling fluid, for example water or air.
  • the second refrigerant stream from the exchanger C2 is sent to the exchanger E1 via the conduit 20.
  • the pressure of the second refrigerant stream at the outlet of the compressor K2 can be between 2 MPa and 8 MPa.
  • the temperature of the second refrigerant stream at the outlet of the exchanger C2 can be between 10 ° C and 45 ° C.
  • the second refrigerant stream is not split into separate fractions, but, to optimize the approach in the exchanger E2, the second refrigerant stream can also be separated into two or three fractions , each fraction being expanded to a different pressure level and then sent to different stages of compressor K2.
  • the second refrigerant stream is formed for example by a mixture of hydrocarbons and nitrogen such as a mixture of methane, ethane and nitrogen but may also contain propane and / or butane.
  • the proportions in molar fractions (%) of the components of the second refrigerant mixture can be:
  • the natural gas leaves liquefied from the heat exchanger E2 via the conduit 101 at a temperature preferably at least 10 ° C. higher than the bubble temperature of the liquefied natural gas produced at atmospheric pressure (the bubble temperature denotes the temperature at which the first bubbles of vapor form in a liquid natural gas at a given pressure) and at a pressure identical to the inlet pressure of natural gas, except for pressure drops.
  • the bubble temperature denotes the temperature at which the first bubbles of vapor form in a liquid natural gas at a given pressure
  • natural gas leaves the E2 exchanger at a temperature between - 105 ° C and - 145 ° C and at a pressure between 4 MPa and 7 MPa. Under these temperature and pressure conditions, natural gas does not remain entirely liquid after expansion to atmospheric pressure.

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Abstract

L'invention concerne un échangeur de chaleur (E1) comprenant plusieurs plaques (2) parallèles à une direction longitudinale (z) et définissant entre elles une première série de passages (10) pour l'écoulement d'au moins un fluide frigorigène (F1) destiné à échanger de la chaleur avec au moins un fluide calorigène (C), au moins un passage (10) de la première série défini entre deux plaques (2) adjacentes comprenant une entrée (31) de fluide frigorigène configurée pour introduire le fluide frigorigène (F1) dans une portion (100) dudit passage (10) et une sortie (41) de fluide frigorigène configurée pour évacuer le fluide frigorigène (F1) de la portion (100). Selon l'invention, ledit au moins un passage (10) de la première série comprend en outre au moins une autre entrée (32) de fluide frigorigène configurée pour introduire un autre fluide frigorigène (F2) dans une autre portion (200) dudit passage (10) et au moins une autre sortie (42) de fluide frigorigène configurée pour évacuer l'autre fluide frigorigène (F2) de l'autre portion (200), lesdites autres entrée et sortie (32, 42) étant agencées de sorte que ledit au moins un passage (10) est divisé, suivant la direction longitudinale (z), en au moins ladite portion (100) et ladite autre portion (200).

Description

ECHANGEUR DE CHALEUR A CONFIGURATION DE PASSAGES AMELIOREE, PROCEDES D’ECHANGE DE CHALEUR ASSOCIES
La présente invention concerne un échangeur de chaleur comprenant des séries de passages pour l’écoulement d’au moins un fluide frigorigène à mettre en relation d’échange thermique avec un fluide calorigène, l’échangeur comprenant au moins un passage configuré pour l’écoulement dudit fluide frigorigène et d’au moins un autre fluide frigorigène.
La technologie couramment utilisée pour un échangeur est celle des échangeurs en aluminium à plaques et à ailettes brasés, qui permettent d’obtenir des dispositifs très compacts offrant une grande surface d’échange.
Ces échangeurs comprennent un empilement de plaques qui s’étendent suivant deux dimensions, longueur et largeur, constituant ainsi un empilement de passages de vaporisation et de passages de condensation, les uns destinés par exemple à vaporiser du liquide frigorigène et les autres à condenser un gaz calorigène. A noter que les échanges de chaleur entre les fluides peuvent avoir lieu avec ou sans changement de phase.
Afin d’introduire et d’évacuer les fluides de l’échangeur, les passages sont munis d’ouvertures d’entrée et de sortie de fluide. Les entrées et sorties placées les unes au-dessus des autres en suivant la direction d’empilement des passages de l’échangeur sont réunies respectivement dans des collecteurs d’entrée et de sortie de forme générale semi-tubulaire, par lesquels s’effectuent la distribution et l’évacuation des fluides.
Plusieurs fluides calorigènes et frigorigène, de nature et/ou de caractéristiques distinctes peuvent circuler dans l’échangeur. Ces fluides forment des courants ou débits distincts qui sont introduits et évacués de l’échangeur par des groupes d’entrées et de sorties dédiées à un type de fluide.
Classiquement, dans le cas où plusieurs fluides frigorigènes circulent dans l’échangeur, les entrées et sorties des différents fluides frigorigènes sont agencées successivement, suivant la longueur de l’échangeur, par ordre de température croissant en partant du bout froid de l’échangeur, c’est-à-dire le point d’entrée dans l’échangeur où un fluide est introduit à la température la plus basse de toutes les températures de l’échangeur. Ainsi, lorsque la température de sortie d’un fluide frigorigène est supérieure à la température d’entrée d’un autre fluide frigorigène, l’autre fluide frigorigène doit entrer dans l’échangeur, en suivant la longueur de l’échangeur, à une position plus proche du bout froid que ne l’est la sortie du fluide frigorigène.
De façon connue, on utilise la méthode du pincement (en anglais Pinch analysis) pour planifier la manière dont circulent les fluides en relation d’échange thermique dans l’échangeur et maximiser l’efficacité énergétique de l’installation.
Le terme de pincement se réfère à l’écart minimum entre la température des fluides frigorigènes, c’est-à-dire les fluides qui se réchauffent dans l’échangeur, et la température des fluides calorigènes, c’est-à-dire les fluides qui se refroidissent dans l’échangeur, et ce en un point donné de l’échangeur. Pour visualiser ce pincement, on évalue l’écart entre deux courbes composites d’un diagramme Chaleur échangée - Température, comme illustré par la Figure 3B (a), l’une étant associée aux flux à chauffer, l’autre aux flux à refroidir. Tant que cet écart minimum est positif, il existe théoriquement un moyen de réduire la consommation énergétique.
Classiquement, afin d’optimiser le pincement entre les courbes du diagramme d’échange issues de la méthode du pincement, on prévoit au moins deux types de passages de fluide frigorigène différents, un type de passage dédié à la circulation d’un fluide frigorigène et au moins un autre type de passage dédié à la circulation de l’autre fluide frigorigène. Ces passages de type différent ne sont pas formés entre la même paire de plaques adjacente de l’échangeur.
Il s’ensuit une complexification de l’échangeur et une augmentation significative du dimensionnement de l’échangeur. En outre, chaque type de passages présente alors une portion importante dans laquelle aucun fluide ne circule, c’est-à-dire une zone inactive en termes d’échange avec le fluide calorigène.
La présente invention a pour but de résoudre en tout ou partie les problèmes mentionnés ci-avant, notamment en proposant un échangeur de chaleur de plus grande compacité et dont l’efficacité thermique et la tenue mécanique sont améliorées.
La solution selon l’invention est alors un échangeur de chaleur comprenant plusieurs plaques parallèles à une direction longitudinale et définissant entre elles une première série de passages pour l’écoulement d’au moins un fluide frigorigène destiné à échanger de la chaleur avec au moins un fluide calorigène, au moins un passage de la première série défini entre deux plaques adjacentes comprenant :
- une entrée de fluide frigorigène configurée pour introduire le fluide frigorigène dans une portion dudit passage et une sortie de fluide frigorigène configurée pour évacuer le fluide frigorigène de la portion,
caractérisé en ce que ledit au moins un passage de la première série comprend en outre :
- au moins une autre entrée de fluide frigorigène configurée pour introduire un autre fluide frigorigène dans une autre portion dudit passage et au moins une autre sortie de fluide frigorigène configurée pour évacuer l’autre fluide frigorigène de l’autre portion,
lesdites autres entrée et sortie étant agencées de sorte que ledit au moins un passage de la première série est divisé, suivant la direction longitudinale, en au moins ladite portion pour l’écoulement du fluide frigorigène et ladite autre portion pour l’écoulement de l’autre fluide frigorigène.
Selon le cas, l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- plusieurs passages de la première série comprennent chacun au moins une entrée, une sortie, une autre entrée et une autre sortie de fluide frigorigène, lesdites entrées étant reliées fluidiquement à un même collecteur d’entrée, lesdites autres entrées étant reliées fluidiquement à un même autre collecteur d’entrée, lesdites sorties étant reliées fluidiquement à un même collecteur de sortie et lesdites autres sorties étant reliées fluidiquement à un même autre collecteur de sortie.
- l’échangeur comprend une première extrémité au niveau de laquelle, en fonctionnement, la température est la plus faible de l’échangeur, et une deuxième extrémité au niveau de laquelle, en fonctionnement, la température est la plus élevée de l’échangeur, ladite deuxième extrémité étant agencé en aval de la première extrémité en suivant la direction longitudinale, la portion pour l’écoulement du fluide frigorigène étant agencée du côté de la première extrémité et l’autre portion pour l’écoulement de l’autre fluide frigorigène étant agencée entre la portion et la deuxième extrémité.
- les plaques définissent entre elles une deuxième série de passages pour l’écoulement d’au moins un fluide calorigène, au moins un passage de la deuxième série étant adjacent audit au moins un passage de la première série et étant configuré de sorte que, lorqu’un courant de fluide calorigène circule dans ledit passage, ledit courant de fluide calorigène échange de la chaleur avec le fluide frigorigène au niveau d’au moins une partie de la portion et avec l’autre fluide frigorigène au niveau d’au moins une partie de l’autre portion.
- au moins un passage de la deuxième série comprend, au niveau de la seconde extrémité de l’échangeur, une entrée de fluide calorigène configurée pour distribuer le fluide calorigène dans ledit au moins un passage et, au niveau de la première extrémité de l’échangeur, une sortie configurée pour évacuer le fluide calorigène dudit au moins un passage.
- ledit au moins un passage de la première série comprend au moins deux autres entrées configurées pour introduire respectivement au moins deux autres fluides frigorigènes dans au moins deux autres portions respectives dudit passage et au moins deux autres sorties configurées pour évacuer respectivement les au moins deux autres fluides frigorigènes des au moins deux autres portions, lesdites au moins deux autres entrées et au moins deux autres sorties étant agencées de sorte que ledit au moins un passage de la première série est divisé, suivant la direction longitudinale, en au moins trois portions successives.
L’invention concerne également un procédé d’échange de chaleur mettant en œuvre un échangeur de chaleur selon l’invention, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
i) introduction d’un courant de fluide calorigène dans au moins un passage d’une deuxième série de passages définis entre les plaques de l’échangeur, ii) introduction d’un fluide frigorigène par l’entrée d’au moins un passage de la première série,
iii)évacuation du fluide frigorigène introduit à l’étape ii) par la sortie dudit passage,
iv) introduction d’au moins un autre fluide frigorigène par ladite autre entrée dudit passage,
v) évacuation de l’autre fluide frigorigène introduit à l’étape iv) par l’autre sortie dudit passage,
ledit courant de fluide calorigène échangeant de la chaleur au moins avec le fluide frigorigène et avec l’autre fluide frigorigène.
De préférence, le fluide frigorigène évacué à l’étape iii) présente une première température et l’autre fluide frigorigène introduit à l’étape iv) présente une deuxième température, la deuxième température étant inférieure à la première température.
Avantageusement, la deuxième température est inférieure d’au moins 1 °C par rapport à la première température.
La présente invention peut s’appliquer à un échangeur de chaleur qui vaporise au moins deux courants partiels d’un fluide à deux phases liquide-gaz en tant que fluides frigorigènes, en particulier au moins deux courants partiels d’un mélange à plusieurs constituants, par exemple un mélange d’hydrocarbures, par échange de chaleur avec au moins un fluide calorigène, par exemple du gaz naturel.
En particulier, l’invention peut s’appliquer à un procédé de refroidissement, voire de liquéfaction d’un mélange d’hydrocarbures tel que le gaz naturel. En particulier, le procédé de liquéfaction est mis en œuvre dans un procédé de production de gaz naturel liquéfié (GNL).
L'expression "gaz naturel" se rapporte à toute composition contenant des hydrocarbures dont au moins du méthane. Cela comprend une composition « brute » (préalablement à tout traitement ou lavage), ainsi que toute composition ayant été partiellement, substantiellement ou entièrement traitée pour la réduction et/ou élimination d'un ou plusieurs composés, y compris, mais sans s'y limiter, le soufre, le dioxyde de carbone, l'eau, le mercure et certains hydrocarbures lourds et aromatiques. Ainsi, l’invention concerne un procédé de refroidissement d’un courant d’hydrocarbures tel que le gaz naturel en tant que courant de fluide calorigène, ledit procédé mettant en œuvre un échangeur de chaleur selon l’invention ou un procédé d’échange de chaleur selon l’invention et comprenant les étapes suivantes :
a) introduction du courant d’hydrocarbures dans l’échangeur de chaleur,
b) introduction d’un premier courant réfrigérant dans l’échangeur de chaleur,
c) extraction de l’échangeur de chaleur d’un courant partiel réfrigérant et d’au moins un autre courant partiel réfrigérant issus du premier courant réfrigérant,
d) détente du courant partiel réfrigérant et de l’autre courant partiel réfrigérant à des niveaux de pression différents pour produire respectivement le fluide frigorigène et l’autre fluide frigorigène,
e) réintroduction du fluide frigorigène produit à l’étape d) par l’entrée d’au moins un passage de la première série,
f) réintroduction de l’autre fluide frigorigène produit à l’étape d) par l’autre entrée dudit passage,
g) refroidissement du courant d’hydrocarbures par échange de chaleur avec au moins le fluide frigorigène et l’autre fluide frigorigène.
Notons que le courant d’hydrocarbures issu de l’étape g) peut être au moins en partie liquéfié.
Eventuellement, le courant d’hydrocarbures refroidi et/ou au moins partiellement liquéfié à l’étape g) est introduit dans un autre échangeur dans lequel est introduit un deuxième courant réfrigérant. De préférence, le deuxième courant réfrigérant sortant de l'autre échangeur est détendu puis réintroduit dans ledit autre échangeur pour y être vaporisé en réfrigérant le courant d’hydrocarbures et le deuxième courant réfrigérant, de sorte que le courant d’hydrocarbures sort liquéfié et sous-refroidi de l’autre échangeur.
Le premier courant réfrigérant peut être un mélange d’hydrocarbures, par exemple un mélange contenant de l’éthane et du propane. De préférence, le fluide frigorigène produit à l’étape d) présente une première pression et l’autre fluide frigorigène produit à l’étape d) présente une deuxième pression, la deuxième pression étant supérieure à la première pression.
La présente invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux schémas ci-annexés, parmi lesquels :
la Figure 1 est une vue schématique en coupe, dans un plan parallèle aux plaques de l’échangeur, d’un passage de fluide frigorigène d’un l’échangeur de chaleur selon l’art antérieur ;
la Figure 2 est une vue schématique en coupe, dans un plan orthogonal aux plaques et parallèle à la direction longitudinale de l’échangeur, de séries de passages de l’échangeur de chaleur de la Figure 1 ;
la Figure 3A est une autre vue schématique en coupe, dans un plan parallèle aux plaques de l’échangeur, d’un passage d’un échangeur de chaleur selon un autre mode de réalisation de l’invention ;
la Figure 3B illustre d’une part les courbes de diagramme d’échange d’un échangeur classique tel qu’illustré sur la Figure 1 et d’autre part les courbes de diagramme d’échange d’un échangeur selon l’invention tel qu’illustré sur la Figure 3A ;
la Figure 4 schématise un mode de réalisation d’un procédé d’échange de chaleur mettant en œuvre un échangeur selon un mode de réalisation de l’invention,
la Figure 5 est une vue schématique en coupe, dans un plan parallèle aux plaques de l’échangeur, d’un passage d’un échangeur de chaleur selon un autre mode de réalisation de l’invention .
La Figure 1 illustre des passages 10a, 10b d’un échangeur de chaleur selon l’art antérieur comprenant plusieurs plaques 2 qui s’étendent suivant deux dimensions, longueur et largeur, respectivement suivant une direction longitudinale z et une direction latérale y orthogonale à z et parallèle aux plaques 2.
Les plaques sont disposées parallèlement l’une au-dessus de l’autre avec espacement suivant une direction d’emplilement x, formant ainsi une pluralité de passages pour des fluides en relation d’échange de chaleur indirect via les plaques. De préférence, chaque passage de l’échangeur a une forme parallélépipédique et plate. L’écart entre deux plaques successives est petit devant la longueur et la largeur de chaque plaque successive.
La Figure 1 schématise des passages d’un échangeur configuré pour vaporiser un fluide frigorigène F1 et un autre fluide frigorigène F2 par échange de chaleur avec un fluide calorigène C.
A noter que l’autre fluide frigorigène F2 peut être un fluide ayant une composition différente du fluide frigorigène F1 ou bien un fluide frigorigène ayant la même composition que le fluide frigorigène F1 mais au moins une caractéristique physique, en particulier pression, température, différente de celle du fluide frigorigène F1 .
Le fluide calorigène C circule dans une deuxième série de passages 11 (visibles sur la Figure 2) agencés, en tout ou partie, en alternance ou de façon adjacente avec tout ou partie des passages 10a, 10b de la première série. L’écoulement des fluides dans les passages a lieu globalement parallèlement à la direction longitudinale z qui est de préférence, comme dans le cas illustré, verticale lors du fonctionnement de l’échangeur.
L’étanchéité des passages 10a, 10b le long des bords des plaques est généralement assurée par des bandes d’étanchéité latérales et longitudinales 4 fixées sur les plaques. Les bandes d’étanchéité latérales 4 n’obturent pas complètement les passages 10a, 10b mais laissent des ouvertures d’entrée 31 , 32 et de sortie 41 , 42 de fluide.
De façon connue en soi, l’échangeur comprend des organes de distribution 51 , 61 , 52, 62 qui s’étendent depuis et vers les entrées et sorties des passages. Ces organes, par exemple des ondes ou canaux de distribution sont configurés pour diriger et assurer une répartition et une récupération uniformes des fluides sur toute la largeur des passages.
En outre, les passages 10a, 10b comprennent avantageusement des structures d’échange thermique disposées entre les plaques. Ces structures ont pour fonction d’augmenter la surface d’échange thermique de l’échangeur. En effet, les structures d’échange thermique sont en contact avec les fluides circulant dans les passages et transfèrent des flux thermiques par conduction jusqu’aux plaques adajcentes.
Les structures d’échange thermique ont aussi une fonction d’entretoises entre les plaques 2, notamment lors de l’assemblage par brasage de l’échangeur et pour éviter toute déformation des plaques lors de la mise en oeuvre des fluides sous pression. Elles assurent également le guidage des écoulements de fluide dans les passages de l’échangeur.
De préférence, ces structures comprennent des ondes d’échange thermique qui s’étendent avantageusement suivant la largeur et la longueur des passages 10a, 10b, parallèlement aux plaques 2, dans le prolongement des organes de distribution 51 , 61 , 52, 62 selon la longueur des passages 10a, 10b. Les passages de l’échangeur présentent ainsi une partie principale de leur longueur constituant la zone d’échange thermique proprement dite, qui est bordée par des zones de distribution garnies des organes 51 , 61 , 52, 62.
Un tel agencement de passages selon la Figure 1 est rencontré notamment dans un échangeur mis en œuvre dans un procédé de liquéfaction de gaz naturel. Une des méthodes connues pour obtenir du gaz naturel liquéfié repose sur l’utilisation de deux cycles de réfrigération du gaz naturel mettant en oeuvre respectivement un premier et un deuxième mélanges d’hydrocarbures réfrigérants. Le premier cycle de réfrigération permet de refroidir la gaz naturel jusqu’à son point de rosée à l’aide d’au moins deux niveaux de détente différents pour augmenter l’efficacité du cycle. Le second cycle permet de liquéfier et de sous-refroidir le gaz naturel et ne comporte qu’un niveau de détente.
Dans le premier cycle de détente, le premier mélange réfrigérant issu d’un compresseur est sous refroidi dans un premier échangeur. Au moins deux courants partiels issus du premier mélange réfrigérants sont soutirés de l’échangeur en deux points de sortie distincts puis détendus à des niveaux de pression différents, formant ainsi au moins deux fluides frigorigènes distincts F1 et F2 réintroduits dans l’échangeurs par des entrées 31 , 32 distinctes alimentant sélectivement les passages 10a, 10b pour y être vaporisés puis évacués par des sorties distinctes 41 , 42. Selon la méthode connue, le fluide frigorigène F1 détendu à un niveau de pression donné entre par l’entrée 31 située au bout froid de l’échangeur et sort par la sortie 41 à une température supérieure à la température d’entrée par l’entrée 32 de l’autre fluide frigorigène détendu à un autre niveau de pression.
Pour respecter l’agencement des entrées et sorties dans un ordre croissant de température des fluides, l’entrée de l’autre fluide frigorigène est située classiquement, suivant la direction longitudinale z, à une position plus proche du bout froid de l’échangeur que ne l’est la sortie du fluide frigorigène à pression plus faible.
Comme on le voit sur la Figure 1 , l’échangeur comprend deux types de passages frigorigènes, l’un 10a pour le fluide frigorigène F1 et l’autre 10b pour l’autre fluide frigorigène F2. Le fluide calorigène C s’écoulant dans des passages 11 adjacents aux passages d’un type 10a et/ou d’un autre type 10b échange donc de la chaleur au niveau de la zone d’échange active A1 avec le fluide F1 et au niveau de la zone d’échange active A2 pour l’autre fluide F2. Les zones 11 et I2 ne sont pas alimentées en fluide et constituent donc des zones inactives au plan thermique.
La présente invention vise à réduire l’étendue longitudinale des ces zones inactives, voire à les éliminer totalement en proposant de partager longitudinalement au moins un passage formé entre deux plaques 2 de l’échangeur et d’y faire circuler différents fluides frigorigènes.
La Figure 3 est une vue schématique en coupe, dans un plan parallèle à celui de la Figure 1 , d’un passage d’un échangeur selon un mode de réalisation de l’invention. Dans l’exemple illustré, le nombre de fluides frigorigènes de type différent est limité à 2 par souci de simplification, étant noté qu’un nombre supérieur de types de fluide pourrait circuler dans un tel passage selon le même principe.
Comme on le voit sur la Figure 3, au moins un passage 10 de la première série de passages frigorigène comprend au moins une autre entrée 32 et au moins une autre sortie 42 pour un autre fluide frigorigène F2.
Lesdites autres entrée et sortie 32, 42 étant agencées de sorte que ledit passage 10 de la première série est divisé, suivant la direction longitudinale z, en au moins une portion 100 pour l’écoulement du fluide frigorigène F1 et une autre portion 200 pour l’écoulement de l’autre fluide frigorigène F2.
De cette façon, lors du fonctionnement de l’échangeur, plusieurs fluides frigorigènes F1 , F2 de types différents circulent au sein d’un même passage, c’est-à-dire entre deux mêmes plaques de l’échangeur, sur des portions d’écoulement dédiées qui se succèdent le long de la direction longitudinale z.
De la sorte, la proportion de zones inactives dans l’échangeur est grandement réduite, voire éliminée, un même passage présentant au moins deux zones d’échanges actives A1 , A2 au niveau desquelles le fluide frigorigène F1 et ledit au moins un autre fluide frigorigène F2 échangent successivement de la chaleur avec le fluide calorigène C.
La quasi-totalité, voire la totalité d’un passage 11 calorigène de la deuxième série est ainsi en contact avec un passage 10 frigorigène de la première série, ce qui favorise l’échange thermique et réduit drastiquement les contraintes thermiques et mécaniques exercées sur les plaques et les collecteurs d’entrée/sortie de l’échangeur. Le dimensionnement de l’échangeur peut être réduit, diminuant ainsi le coût de l’échangeur et de la boîte froide dans laquelle il est intégré. La réduction des zones inactives au sein de l’échangeur augmente aussi sa tenue mécanique.
En fait, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence qu’en prenant en compte les chevauchements de températures dès la phase de conception du procédé, il est possible de faire circuler les fluides frigorigènes dans le même passage, même si la température de sortie du premier fluide est supérieure à celle d’entrée du second fluide. Il faut pour cela simuler l’échangeur, non pas en une seule section avec deux fluides firgorigènes arrivant à des températures différentes, comme c’est le cas avec la méthode connue du pincement, mais en différentes sections consécutives (deux dans l’exemple cité), chacune de ces sections comportant un seul fluide frigorigène, arrivant à sa température d’entrée, pour se rapprocher au mieux de la géométrie réelle et donc des pincements réels que présentera l’échangeur. Ceci est illustré sur la Figure 3B, qui montre un comparatif entre les diagrammes d’échange Chaleur échangée - Température (DH - T), ou courbes enthalpiques, obtenus d’une part avec un échangeur simulé selon la méthode classique du pincement (en (a)) et d’autre part avec un échangeur dans lequel les fluides circulent conformément à l’invention (en (b)), Les courbes C, F, F1 , F2 illustrent l’évolution de la quantité de chaleur échangée en fonction de la température, respectivement pour le fluide calorigène, un fluide frigorigène composite construit selon la méthode du pincement classique, le fluide frigorigène F1 selon l’invention et l’autre fluide frigorigène F2 selon l’invention.
De préférence, la majorité, de préférence encore au moins 80% du nombre total de passages 10 de la première série, voire la totalité des passages 10 de la première série, comprennent chacun une entrée et une sortie 31 , 41 pour le fluide frigorigène F1 et au moins une autre entrée et une autre sortie 32, 42 pour l’autre fluide frigorigène F2.
Avantageusement, l’échangeur selon l’invention présente un seul type de passage 10 de fluides frigorigène, ce qui en simplifie grandement la conception. On entend par passages du même type des passages qui présentent une configuration ou une structure identique, notamment en termes de dimensions des passages, de dispositions des entrées et sorties de fluide.
De préférence, la majorité, de préférence au moins 80%, voire la totalité, du nombre total de passages 10 de la première série présentent une configuration identique. En particulier, les entrées et sorties 31 , 41 , 32, 42 sont agencées à des positions sensiblement identiques suivant la direction longitudinale z.
Ainsi, les entrées et sorties 31 , 41 , 32, 42 des passages 10 de la première série sont disposées en coïncidence les unes au-dessus des autres, en suivant la direction d’empilement x des passages. Les entrées 31 , 32 et sorties 41 , 42 placées ainsi l’une au-dessus de l’autre sont réunies respectivement dans des collecteurs de forme semi-tubulaire 71 , 72, 81 , 82, par lesquels s’effectuent la distribution et l’évacuation des fluides.
De préférence, la direction longitudinale est verticale lorsque l’échangeur est en fonctionnement. Les fluides frigorigènes F1 , F2 s’écoulent globalement verticalement et dans le sens ascendant. Le fluide calorigène C circule de préférence à contre-courant. D’autres directions et sens d’écoulement des fluides F1 , F2 sont bien entendu envisageables, sans sortir du cadre de la présente invention.
De préférence, le passage 10 de l’échangeur comprend des zones de distribution 51 , 61 , 52, 62, de préférence garnies d’organes de distribution, qui s’étendent depuis et vers les entrées 31 , 32 et sorties 41 , 42 du passage 10. Ces zones de distribution sont configurées pour diriger et récupérer uniformément les fluides F1 et F2 sur toute la largeur des zones d’échange A1 et A2 respectivement.
Avantageusement, la portion 100 du passage 10 comprend les zones de distribution 51 , 61 et la zone d’échange A1 et l’autre portion 200 comprend les zones de distribution 52, 62 et la zone d’échange A2.
Avantageusement, des structures d’échange thermique sont agencées dans les zones d’échange A1 et A2. On pourra utiliser les différents types d’ondes mis en œuvre habituellement dans les échangeurs du type à plaques et ailettes brasés pour former les structures d’échange thermique des zones d’échange A1 , A2. Les ondes pourront être choisie parmi les types d’onde connus tels les ondes droites, les ondes à décalage partiel (du type « serrated » en anglais), les ondes à vagues ou arrêtes de hareng (du type « herringbone » en anglais), perforées ou non.
Avantageusement, les organes de distribution et les structures d’échanges thermiques forment au sein du passage 10 une pluralité de canaux reliant fluidiquement les entrée 31 et sortie 41 entre elles et les autres entrées 32 et sorties 42 entre elles.
Avantageusement, l’échangeur comprend une première extrémité 1 a au niveau de laquelle, en fonctionnement, la température est la plus faible de l’échangeur, et une deuxième extrémité 1 b au niveau de laquelle, en fonctionnement, la température est la plus élevée de l’échangeur.
De préférence, la deuxième extrémité 1 b est agencée en aval de la première extrémité 1 a en suivant la direction longitudinale z, de sorte que le sens d’écoulement des fluides F1 , F2 dans le passage 10 est globalement ascendant. De préférence, la portion 100 pour l’écoulement du fluide frigorigène F1 étant agencée du côté de la première extrémité 1 a et l’autre portion 200 pour l’écoulement de l’autre fluide frigorigène F2 est agencée entre la portion 100 et la deuxième extrémité 1 b.
Ainsi, dans la représentation donnée sur la Figure 3, l’autre portion 200 s’étend, en suivant la direction longitudinale z, en aval de la portion 100.
De préférence, les portions 100, 200 sont juxtaposées suivant la direction longitudinale z, comme illustré sur la Figure 3, ce qui permet d’optimiser au mieux l’espace au sein du passage 10 en maximisant l’étendue des zones actives.
Selon une variante de réalisation, illustrée sur la Figure 5, deux autres fluides frigorigènes F2, F3 s’écoulent dans un même passage 10 conforme à l’invention.
Dans ce cas, au moins un passage frigorigène 10 de la première série comprend deux autres entrées 32, 33 configurées pour introduire respectivement deux autres fluides frigorigènes F2, F3 dans deux autres portions 200, 300 respectives du passage 10, et deux autres sorties 42, 43 configurées pour évacuer respectivement les deux autres fluides frigorigènes F2, F3 des deux autres portions 200, 300. Le passage 10 est divisé, suivant la direction longitudinale z, en trois portions 100, 200, 300 successives.
Avantageusement, lorsque l’échangeur fonctionne, le fluide frigorigène F1 entre par l’entrée 31 d’au moins un passage 10 à une température dite initiale T0 et est évacué par la sortie 41 à une première température T1 supérieure à T0. De préférence, la température T0 est comprise entre -55 et - 75 °C et la température T1 est comprise entre -10 et -30 °C.
De préférence, l’autre fluide frigorigène F2 entre dans le passage 10 par l’autre entrée 32 à une deuxième température T2 et en sort par l’autre sortie 42 à une troisième température T3, T3 étant supérieure à T2. De préférence, la température T2 est comprise entre -15 et -35 °C et la température T3 est comprise entre 35 et 0 °C.
De préférence, la deuxième température T2 est inférieure à la première température T1 . Cela permet d’avoir un fluide F1 surchauffé en sortie de la portion 100 de l’échangeur (T1 élevée), tout en assurant un refroidissement efficace du fluide calorigène dans l’autre portion 200 de l’échangeur grâce à une température de début de vaporisation, T2, du fluide F2 suffisamment basse (inférieure à T1 ).
De préférence encore, la deuxième température T2 est inférieure d’au moins 1 °C par rapport à la première température T1 . De préférence, la deuxième température T2 est inférieure d’au plus 15°C, de préférence encore d’au plus 10°C, et préférentiellement d’au plus 5°C, à la première température T 1 . Ceci afin d’éviter des contraintes mécaniques excessives dans l’échangeur.
Considérons à présent la variante où deux autres fluides frigorigènes F2, F3 s’écoulent dans un même passage 10.
Avantageusement, lorsque l’échangeur fonctionne, le fluide frigorigène F1 entre par l’entrée 31 d’au moins un passage 10 à une température initiale T0 comprise entre -55 et -75 °C et est évacué par la sortie 41 à une première température T1 supérieure à T0, T1 étant comprise entre -25 et -45 °C.
De préférence, le premier autre fluide frigorigène F2 entre dans le passage 10 par une première autre entrée 32 à une deuxième température T2 et en sort par l’autre sortie 42 à une température T3, T3 étant supérieure à T2. De préférence, la température T2 est comprise entre -30 et -50 °C et la température T3 est comprise entre 0 et -20 °C.
De préférence, le deuxième autre fluide frigorigène F3 entre dans le passage 10 par une deuxième autre entrée 33 à une quatrième température T4 et en sort par une deuxième autre sortie 43 à une cinquième température T5, T5 étant supérieure à T4. De préférence, la température T4 est comprise entre -5 et -25 °C et la température T5 est comprise entre 30 et 0 °C.
Avantageusement, la quatrième température T4 est inférieure à la troisième température T3. Cela permet d’avoir un fluide F2 surchauffé en sortie de la portion 200 de l’échangeur (T3 élevée), tout en assurant un refroidissement efficace du fluide calorigène dans l’autre portion 300 de l’échangeur grâce à une température de début de vaporisation, T4, du fluide F3 suffisamment basse (inférieure à T3).
De préférence, la quatrième température T4 est inférieure d’au moins 1 °C par rapport à la troisième température T3. De préférence, la deuxième température T2 est inférieure d’au plus 15°C, de préférence encore d’au plus 10°C, et préférentiellement d’au plus 5°C, à la première température T1 .
Avantageusement, la quatrième température T4 est inférieure d’au moins 1 °C par rapport à la troisième température T3, de préférence la quatrième température T4 est inférieure d’au plus 15°C, à la troisième température T3, de préférence encore, afin d’éviter des contraintes mécaniques excessives dans l’échangeur, d’au plus 10°C, et préférentiellement d’au plus 5°C, à la troisième température T4.
Selon un mode de réalisation particulier, le fluide frigorigène F1 et le au moins un autre fluide frigorigène F2 sont des fluides présentant des pressions différentes. En particulier, le fluide frigorigène F1 s’écoule dans l’échangeur à une première pression P1 et l’autre fluide frigorigène F2 s’écoule dans l’échangeur à une deuxième pression P2 qui est de préférence supérieure à la première pression P1 . Les fluides F1 , F2 peuvent présenter la même composition.
Un échangeur selon l’invention peut être utilisé dans tout procédé mettant en œuvre plusieurs fluides frigorigènes de types différents, notamment en termes de composition et/ou de caractéristiques telles que pression, température, état physique ...
L’utilisation d’un échangeur selon l’invention est particulièrement avantageuse dans un procédé de liquéfaction d’un courant d’hydrocarbures tel que le gaz naturel. Un exemple d’un tel procédé est schématisé partiellement sur la Figure 4.
Selon le procédé de liquéfaction de gaz naturel schématisé par la Figure 4, le gaz naturel arrive par le conduit 1 10 par exemple à une pression comprise entre 4 MPa et 7 MPa et à une température comprise entre 30 °C et 60 °C. Le gaz naturel circulant dans le conduit 1 10, le premier courant réfrigérant circulant dans le conduit 30 et le deuxième courant réfrigérant circulant dans le conduit 20 entrent dans l’échangeur E1 selon l’invention pour y circuler selon des directions parallèles et à co-courant.
Le gaz naturel sort refroidi de l'échangeur E1 par le conduit 102, par exemple à une température comprise entre - 35 °C et - 70 °C. Le deuxième courant réfrigérant sort totalement condensé de l'échangeur E1 par le conduit 202, par exemple à une température comprise entre - 35 °C et - 70 °C.
Dans l’échangeur E1 , trois fractions, également appelées débits ou courants partiels, 301 , 302, 303 du premier courant réfrigérant en phase liquide sont successivement soutirées. Les fractions sont détendues à travers les vannes de détente V1 1 , V12 et V13 à trois niveaux de pression différents, formant un fluide frigorigène F1 et deux autres fluides frigorigènes F2, F3. Ces trois fluides frigorigènes F1 , F2, F3 de types différents sont réintroduits dans l’échangeur E1 ayant des passages frigorigènes munis de trois entrées distinctes 31 , 32, 33 conformément à l’invention, puis vaporisées par échange de chaleur avec le gaz naturel, le deuxième courant réfrigérant et une partie du premier courant réfrigérant.
Les trois fluides frigorigènes F1 , F2, F3 vaporisés sont envoyés à différents étages du compresseur K1 , comprimés puis condensés dans le condenseur C1 par échange de chaleur avec un fluide extérieur de refroidissement, par exemple de l'eau ou de l'air. Le premier courant réfrigérant issu du condenseur C1 est envoyé dans l'échangeur E1 par le conduit 30. La pression du premier courant réfrigérant à la sortie du compresseur K1 peut être comprise entre 2 MPa et 6 MPa. La température du premier courant réfrigérant à la sortie du condenseur C1 peut être comprise entre 10 °C et 45°C.
Le premier courant réfrigérant peut être formé par un mélange d'hydrocarbures tels qu'un mélange d'éthane et de propane, mais peut également contenir du méthane, du butane et/ou du pentane. Les proportions en fraction molaires (%) des composants du premier mélange réfrigérant peuvent être:
Ethane: 30 % à 70 %
Propane: 30 % à 70 %
Butane: 0 % à 20 %
Le gaz naturel circulant dans le conduit 102 peut être fractionné, c'est- à-dire qu'une partie des hydrocarbures C2+ contenant au moins deux atomes de carbone est séparée du gaz naturel en utilisant un dispositif connu de l'homme de l'art. Le gaz naturel fractionné est envoyé par la conduite 102 dans un autre échangeur E2. Les hydrocarbures C2+ recueillis sont envoyés dans des colonnes de fractionnement comportant un deéthaniseur. La fraction légère recueillie en tête du deéthaniseur peut être mélangée avec le gaz naturel circulant dans le conduit 102. La fraction liquide recueillie en fond du deéthaniseur est envoyée à un dépropaniseur.
Le gaz circulant dans le conduit 102 et le deuxième courant réfrigérant circulant dans le conduit 202 entrent dans l'autre échangeur E2 pour y circuler selon des directions parallèles et à co-courant.
Le deuxième courant réfrigérant sortant de l'échangeur E2 par le conduit 201 est détendu par l'organe de détente T3. L'organe de détente T3 peut être une turbine, une vanne ou une combinaison d'une turbine et d’une vanne. Le deuxième courant réfrigérant détendu issu de la turbine T3 est envoyé par le conduit 203 dans l'échangeur E2 pour être vaporisé en réfrigérant à contre- courant le gaz naturel et le deuxième courant réfrigérant.
En sortie de l'échangeur E2, le deuxième courant réfrigérant vaporisé est comprimé par le compresseur K2 puis refroidit dans l'échangeur de chaleur indirect C2 par échange de chaleur avec un fluide extérieur de refroidissement, par exemple de l'eau ou de l'air. Le deuxième courant réfrigérant issu de l'échangeur C2 est envoyé dans l’échangeur E1 par le conduit 20. La pression du deuxième courant réfrigérant en sortie du compresseur K2 peut être comprise entre 2 MPa et 8 MPa. La température du deuxième courant réfrigérant à la sortie de l'échangeur C2 peut être comprise entre 10 °C et 45 °C.
Dans le procédé décrit en référence à la Figure 4, le deuxième courant réfrigérant n'est pas scindé en fractions séparées, mais, pour optimiser l'approche dans l'échangeur E2, le deuxième courant réfrigérant peut également être séparé en deux ou trois fractions, chaque fraction étant détendue à un niveau de pression différent puis envoyé à différents étages du compresseur K2.
Le deuxième courant réfrigérant est formé par exemple par un mélange d'hydrocarbures et d'azote tels qu'un mélange de méthane, d'éthane et d'azote mais peut également contenir du propane et/ou du butane. Les proportions en fractions molaires (%) des composants du deuxième mélange réfrigérant peuvent être:
Azote: 0 % à 10 %
Méthane: 30 % à 70 % Ethane: 30 % à 70 %
Propane: 0 % à 10 %
Le gaz naturel sort liquéfié de l'échangeur de chaleur E2 par le conduit 101 à une température de préférence supérieure d'au moins 10°C par rapport à la température de bulle du gaz naturel liquéfié produit à pression atmosphérique (la température de bulle désigne la température à laquelle les premières bulles de vapeur se forment dans un gaz naturel liquide à une pression donnée) et à une pression identique à la pression d'entrée du gaz naturel, aux pertes de charge près. Par exemple le gaz naturel sort de l’échangeur E2 à une température comprise entre - 105 °C et - 145 °C et à une pression comprise entre 4 MPa et 7 MPa. Dans ces conditions de température et de pression, le gaz naturel ne reste pas entièrement liquide après une détente jusqu'à la pression atmosphérique.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples particuliers décrits et illustrés dans la présente demande. D’autres variantes ou modes de réalisation à la portée de l’homme du métier peuvent aussi être envisagés sans sortir du cadre de l’invention. Par exemple d’autres configurations d’injection et de d’extraction des fluides de l’échangeur, d’autres sens et directions d’écoulement des fluides, d’autres types de fluides... sont bien sûr envisageables, selon les contraintes imposées par le procédé à mettre en œuvre.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Echangeur de chaleur (E1 ) comprenant plusieurs plaques (2) parallèles à une direction longitudinale (z) et définissant entre elles une première série de passages (10) pour l’écoulement d’au moins un fluide frigorigène (F1 ) destiné à échanger de la chaleur avec au moins un fluide calorigène (C), au moins un passage (10) de la première série défini entre deux plaques (2) adjacentes comprenant :
- une entrée (31 ) de fluide frigorigène configurée pour introduire le fluide frigorigène (F1 ) dans une portion (100) dudit passage (10) et une sortie (41 ) de fluide frigorigène configurée pour évacuer le fluide frigorigène (F1 ) de la portion (100),
caractérisé en ce que ledit au moins un passage (10) de la première série comprend en outre :
- au moins une autre entrée (32) de fluide frigorigène configurée pour introduire un autre fluide frigorigène (F2) dans une autre portion (200) dudit passage (10) et au moins une autre sortie (42) de fluide frigorigène configurée pour évacuer l’autre fluide frigorigène (F2) de l’autre portion (200),
lesdites autres entrée et sortie (32, 42) étant agencées de sorte que ledit au moins un passage (10) de la première série est divisé, suivant la direction longitudinale (z), en au moins ladite portion (100) pour l’écoulement du fluide frigorigène (F1 ) et ladite autre portion (200) pour l’écoulement de l’autre fluide frigorigène (F2).
2. Echangeur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que plusieurs passages (10) de la première série comprennent chacun au moins une entrée (31 ), une sortie (41 ), une autre entrée (32) et une autre sortie (42) de fluide frigorigène, lesdites entrées (31 ) étant reliées fluidiquement à un même collecteur d’entrée (71 ), lesdites autres entrées (32) étant reliées fluidiquement à un même autre collecteur d’entrée (72), lesdites sorties (41 ) étant reliées fluidiquement à un même collecteur de sortie (81 ) et lesdites autres sorties (42) étant reliées fluidiquement à un même autre collecteur de sortie (82).
3. Echangeur selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu’il comprend une première extrémité (1 a) au niveau de laquelle, en fonctionnement, la température est la plus faible de l’échangeur, et une deuxième extrémité (1 b) au niveau de laquelle, en fonctionnement, la température est la plus élevée de l’échangeur, ladite deuxième extrémité (1 b) étant agencé en aval de la première extrémité (1 a) en suivant la direction longitudinale (z), la portion (100) pour l’écoulement du fluide frigorigène (F1 ) étant agencée du côté de la première extrémité (1 a) et l’autre portion (200) pour l’écoulement de l’autre fluide frigorigène (F2) étant agencée entre la portion (100) et la deuxième extrémité (1 b).
4. Echangeur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques (2) définissent entre elles une deuxième série de passages (1 1 ) pour l’écoulement d’au moins un fluide calorigène (C), au moins un passage (11 ) de la deuxième série étant adjacent audit au moins un passage (10) de la première série et étant configuré de sorte que, lorqu’un courant de fluide calorigène (C) circule dans ledit passage (20), ledit courant de fluide calorigène (C) échange de la chaleur avec le fluide frigorigène (F1 ) au niveau d’au moins une partie de la portion (100) et avec l’autre fluide frigorigène (F2) au niveau d’au moins une partie de l’autre portion (200).
5. Echangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu’au moins un passage (11 ) de la deuxième série comprend, au niveau de la seconde extrémité (1 b) de l’échangeur, une entrée de fluide calorigène configurée pour distribuer le fluide calorigène (C) dans ledit au moins un passage (11 ) et, au niveau de la première extrémité (1 a) de l’échangeur, une sortie configurée pour évacuer le fluide calorigène (C) dudit au moins un passage (11 ).
6. Echangeur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit au moins un passage (10) de la première série comprend au moins deux autres entrées (32, 33) configurées pour introduire respectivement au moins deux autres fluides frigorigènes (F2, F3) dans au moins deux autres portions (200, 300) respectives dudit passage (10) et deux autres sorties (42, 43) configurées pour évacuer respectivement les au moins deux autres fluides frigorigènes (F2, F3) des au moins deux autres portions (200, 300), lesdites deux autres entrées (32, 33) et deux autres sorties (42, 43) étant agencées de sorte que ledit au moins un passage (10) de la première série est divisé, suivant la direction longitudinale (z), en au moins ladite portion (100) et en lesdites deux autres portions (200, 300).
7. Procédé d’échange de chaleur mettant en œuvre un échangeur de chaleur (E1 ) selon l’une des revendications précédentes, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
i) introduction d’un courant de fluide calorigène (C) dans au moins un passage (1 1 ) d’une deuxième série de passages définis entre les plaques (2) de l’échangeur (E1 ),
ii) introduction d’un fluide frigorigène (F1 ) par l’entrée (31 ) d’au moins un passage (10) de la première série,
iii)évacuation du fluide frigorigène (F1 ) introduit à l’étape ii) par la sortie (41 ) dudit passage (10),
iv) introduction d’au moins un autre fluide frigorigène (F2) par l’autre entrée (32) dudit passage (10),
v) évacuation de l’autre fluide frigorigène (F2) introduit à l’étape iv) par l’autre sortie (41 ) dudit passage (10),
ledit courant de fluide calorigène (C) échangeant de la chaleur au moins avec le fluide frigorigène (F1 ) et avec l’autre fluide frigorigène (F2).
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le fluide frigorigène (F1 ) évacué à l’étape iii) sort de l’échangeur (E1 ) à une première température (T1 ) et l’autre fluide frigorigène (F2) introduit à l’étape iv) entre dans l’échangeur (E1 ) à une deuxième température (T2), la deuxième température (T2) étant inférieure à la première température (T1 ).
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la deuxième température (T2) est inférieure d’au moins 1 °C par rapport à la première température (T1 ).
10. Procédé de refroidissement d’un courant d’hydrocarbures tel que le gaz naturel en tant que courant de fluide calorigène (C), ledit procédé mettant en œuvre un échangeur de chaleur (E1 ) selon l’une des revendications 1 à 5 ou un procédé d’échange de chaleur selon l’une des revendications 6 à 8 et comprenant les étapes suivantes :
a) introduction du courant d’hydrocarbures (C) dans l’échangeur de chaleur (E1 ),
b) introduction d’un premier courant réfrigérant (30) dans l’échangeur de chaleur (E1 ),
c) extraction de l’échangeur de chaleur (E1 ) d’un courant partiel réfrigérant (301 ) et d’au moins un autre courant partiel réfrigérant (302) issus du premier courant réfrigérant (30),
d) détente du courant partiel réfrigérant (301 ) et de l’autre courant partiel réfrigérant (302) à des niveaux de pression différents pour produire respectivement le fluide frigorigène (F1 ) et l’autre fluide frigorigène (F2),
e) réintroduction du fluide frigorigène (F1 ) dans l’échangeur de chaleur (E1 ) par l’entrée (31 ) d’au moins un passage (10) de la première série,
f) réintroduction de l’autre fluide frigorigène (F2) dans l’échangeur de chaleur (E1 ) par l’autre entrée (32) dudit passage (10),
g) refroidissement du courant d’hydrocarbures (C) par échange de chaleur avec au moins le fluide frigorigène (F1 ) et l’autre fluide frigorigène (F2).
1 1 . Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le premier courant réfrigérant (30) est un mélange d’hydrocarbures, par exemple un mélange contenant de l’éthane et du propane.
12. Procédé selon l’une des revendication 10 ou 1 1 , caractérisé en ce que le fluide frigorigène (F1 ) produit à l’étape d) présente une première pression (P1 ) et l’autre fluide frigorigène (F2) produit à l’étape d) présente une deuxième pression (P2), la deuxième pression (P2) étant supérieure à la première pression (P1 ).
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